DE2620282B2

DE2620282B2 - Nichtlinearer Gleichspannungsverstärker für Meßzwecke

Info

Publication number: DE2620282B2
Application number: DE2620282A
Authority: DE
Inventors: Kurt 7850 Loerrach Brolde
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 1976-05-07
Filing date: 1976-05-07
Publication date: 1978-05-11
Also published as: DE2620282C3; NL7704982A; DE2620282A1; IT1075099B; JPS52154653A; SE7705316L; CH615504A5; FR2350730B1; US4147989A; FR2350730A1; JPS6128084B2; GB1575556A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen nichtlinearen Gleichspannungsverstärker für Meßzwecke, mit einem an einen Meßwandler angeschlossenen Hauptverstärker, dessen Gesamtverstärkung durch einen

oder mehrere nichtlinear ausgebildete Operationsverstärkerglieder bestimmt ist, deren Ausgänge jeveils über einen Summierwiderstand mit dem Eingang des Hauptverstärkers verbunden sind und deren Einsatzpunkte von unterschiedlichen Werten der Meß- "» größe abhängen.

Meßwandler, die zur Umsetzung einer beliebigen physikalischen Meßgröße in ein elektrisches Signal (Spannung, Strom) verwendet werden, sind in den meisten Fällen nichtlinear, d.h., daß das abgegebene '< > elektrische Signal der Meßgröße nicht proportional ist. Der Zusammenhang zwischen der Meßgröße und dem vom Meßwandler gelieferten elektrischen Signal wird durch die Eichkurve des Meßwandlers ausgedrückt. Diese Eichkurve ist für die verschiedenen Ar- ι "> ten von Meßwandlern verschieden. Auch bei Meßwandlern gleicher Art unterscheiden sich die Eichkurven infolge der unvermeidlichen Exemplarstreuungen durch exemplarspezifische Offset-Faktoren und/oder Empfindlichkeitsfaktoren. Für viele Anwendungen, beispielsweise für die Anzeige der Meßgröße auf einem linearen Anzeigegerät, muß eine Proportionalität zwischen dem physikalischen Meßwert und dem elektrischen Signal vorhanden sein. Es ist bekannt, zu diesem Zweck dem Meßwandler einen nichtlinearen 2"> Gleichspannungsverstärker nachzuschalten, dessen Kennlinie zu der Eichkurve genau invers ist (Umkehroder Spiegelfunktion).

Zu diesem Zweck können nichtlineare Gleichspannungsverstärker der eingangs angegebenen Art ver- jo wendet werden, die beispielsweise aus dem »Handbook and Catalog of Operational Amplifiers« der Burr-Brown Research Corporation, 1969, Seite 48, sowie aus der Zeitschrift »Internationale elektronische Rundschau« 1970, Nr. 10 Seiten 265 bis 269, j-, insbesondere Bild 8 auf Seite 267, bekannt sind und auch als nichtlineare Funktionsgeneratoren bezeichnet werden. Die Wirkungsweise dieser nichtlinearen Gleichspannungsverstärker beruht darauf, daß die gewünschte nichtlineare Verstärkungskennlinie durch lineare Teilstücke angenähert wird, wobei die Knickpunkte den Einsatzpunkten der nichtlinear ausgebildeten Operationsverstärkerglieder entsprechen. Bei diesen bekannten nichtlinearen Gleichspannungsverstärkern sind die invertierenden Eingänge -Ti der Operationsverstärkerglieder, die als Präzisionsgleichrichter geschaltet sind und daher das Verhalten einer idealen Diode zeigen, mit den Abgriffen von Spannungsteilern verbunden, die parallel zueinander zwischen einer Eingangsklemme und einem Bezugs- >o potential angeschlossen sind. Die Spannungsteilerverhältnisse der Spannungsteiler sind verschieden. Wenn das Ausgangssignal des Meßwandlers an den Signaleingang gelegt wird, werden die Operationsverstürkerglieder, je nach dem Spannungsteilerverhält- γ, nis, bei verschiedenen Werten des Eingangssignals durchlässig, so daß sie einen vom Summierwiderstand abhängigen Strom zum Summierpunkt am Verstärkereingang liefern. Dadurch wird die Verstärkungskennlinie des durch einen gegengekoppelten Opera- txi tionsverstärker gebildeten Hauptverstärkers bestimmt.

Wenn diese bekannten nichtlinearen Gleichspannungsverstärker für die Linearisierung der Eichkurven von Meßwandlern verwendet werden, sind die b5 Einsatzpunkte der nichtlinearen Operationsverstärkerglieder und damit die Knickpunkte der Verstärkerkennlinie durch bestimmte Werte des Ausgangssignals des Mcßwandlers festgelegt, das in einer nichtlinearen Beziehung zur Meßgröße steht. Wenn somit die Eichkurve eines bestimmten Wandlers durch einen Offset-Faktor verfälscht ist, ist auch die auf die Meßgröße bezogene Verstärkerkennlinie verfälscht. Eine Offset-Korrektur durch einfache Verschiebung der Verstärkerkennlinie ist daher nicht möglich.

In gleicher Weise äußern sich auch Offset- und Verstärkungsänderungen, die durch elektrische Bauelemente des nichtlinearen Gleichspannungsvcrstärkers selbst verursacht werden.

Die vorstehend geschilderten Nachteile treten um so mehr in Erscheinung, je stärker die Eichkurve und damit die dazu inverse Verstärkerkennlinie gekrümmt sind. Die Ausbildung der nichtlinearen Verstärker erfordert dann einen sorgfältigen individuellen Abgleich zur Anpassung an den jeweiligen Meßwandler.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines nichtlinearen Gleichspannungsverstärkers der eingangs angegebenen Art, der eine exakte Annäherung auch an stark gekrümmte Kennlinien und eine einfache Anpassung an unterschiedliche Meßwandler ermöglicht.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß jeweils ein Eingang jedes Operationsverstärkerglieds mit einem Abgriff eines Widerstands-Spannungsteilers verbunden ist, der zwischen dem Ausgang des Hauptverstärkers und einem an eine Referenzspannung gelegten Schaltungspunkt angeschlossen ist.

Bei dem nach der Erfindung ausgebildeten nichtlinearen Gleichspannungsverstärker sind die Einsatzpunkte der Operationsverstärkerglieder nicht durch das Ausgangssignal des Meßwandlers bestimmt, sondem durch das Ausgangssignal des Hauptverstärkers, das bereits einen weitgehend linearen Zusammenhang mit der Meßgröße zeigt. Dadurch ergibt sich insbesondere bei der Realisierung von starken Kennlinienkrümmungen der Vorteil, daß durch elektronische Bauelemente verursachte Offset- und Verstärkungsänderungen in den nichtlinearen Operationsverstärkern einen wesentlich geringeren Fehler am Ausgang des Hauptverstärkers erzeugen als bei den bekannten nichtlinearen G'eichspannungsverstärkern. Dadurch, daß die Einsatzpunktc der nichtlinearen Operationsverstärkerglieder von der Ausgangsspannung des Hauptverstärkers abhängen, die bereits einen auf die Meßgröße bezogenen entgegengesetzten Verlauf zur Eichkurve hat, beziehen sich auch die Referenzspannungen für die nichtlinearen Operationsverstärkerglieder immer auf die Meßgröße. Es kann somit eine durch einen Offset-Faktor verfälschte Eichkurve ohne Umstellen der Referenzspannungen linearisiert werden, indem ein dem Offset-Faktor entsprechender Offset-Strom dem Summierpunkt am Eingang der Hauptverstärkerkette zugeführt wird. Diese Maßnahme hat eine einfache Parallelverschiebung der Verstärkerkennliiiie zur Folge.

Vorzugsweise ist der Hauptverstärker so ausgebildet, daß sich sein Ausgangssignal gleichsinnig mit seinem Eingangssignal ändert. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß der Hauptverstärker zwei Operationsverstärker enthält, daß der invertierende Eingang des ersten Operationsverstärkers den Eingang des Hauptverstärkers bildet, daß der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers den Ausgang des Hauptverstärkers bildet, und daß der invertierende Eingang des zweiten

Operationsverstärkers mit dem Ausgang des eisten Operationsverstärkers verbunden ist.

Eine Ausfiihrungsform der Erfindung besteht darin, daß für wenigstens einen Teil der Operationsverstärkerglieder jeweils ein eigener Spannungsteiler vorgesehen ist, an dessen Abgriff der invertierende Eingang des Operationsverstärkers angeschlossen ist, und daß die Spannungsteiler zueinander parallel zwischen dem Ausgang des Hauptverstärkers und Schaltungspunkten mit unterschiedlichen Referenzspannungen angeschlossen sind.

Diese Ausbildung ergibt eine Verstärkerkennlinie mit abnehmender Steigung. Dabei ist vorzugsweise jedes Operationsverstärkerglied als Präzisionsgleichrichter geschaltet, und die Referenzspannung jedes Spannungsteilers ist vorzugsweise einstellbar.

Eine andere Ausfiihrungsform der Erfindung besteht darin, daß für wenigstens einen Teil der Operationsverstärkerglieder ein zwischen dem Ausgang des Hauptverstärkers und einem an der Referenzspannung liegenden Schaltungspunkt angeschlossener Spannungsteiler mit mehreren gestaffelten Abgriffen vorgesehen ist, und daß die nichtinvertierenden Eingänge der Opcrationsverstärkerglieder an die Abgriffe des Spannungsteilers angeschlossen sind.

Diese Ausbildung ergibt eine Verstärkerkennlinie mit zunehmender Steigung.

Die beiden Maßnahmen können auch gleichzeitig angewendet werden, wodurch es möglich ist, Verstärkerkennlinien mit Wendepunkten zu erhalten.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß in jeder Verbindung zwischen dem Ausgang eines Operationsvcrstärkerglieds und dem Eingang des Hauptverstärkers eine Halbleiterdiode liegt. Dadurch wird eine Verrundung der Knickpunkte der Verstärkerkennünie erzielt.

Die Verstärkungsänderung des Hauptverstärkers kann nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung auf einfache Weise dadurch geschehen, daß mit dem Ausgang des Hauptverstärkers der invertierende Einsang eines linearen Operationsverstärkerglieds verbunden ist, an dessen Ausgang ein Spannungsteiler angeschlossen ist, dessen Ausgang über einen Summierwiderstand mit dem Eingang des Hauptverstärkers verbunden ist.

Eine andere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß an den Ausgang jedes Operationsverslärkcrglieds wenigstens ein Spannungsteiler angeschlossen ist, dessen Abgriff über einen Summierwiderstand mit dem Eingang des Hauptverstärkers verbunden ist. Dadurch ergibt sich eine weitere Möglichkeit zur Einstellung der Verstärkerkennlinie.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile machen es insbesondere möglich, den nichtlinearen Gleichspannungsverstärker so auszugestalten, daß er auf vcrschicdjnc vorangestellte nichtlineare Kennlinien umschaltbar ist. Dies kann gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes dadurch erfolgen, daß an den Ausgang jedes Operationsverstärkcrglicds mehrere Spannungsteiler parallel angeschlossen sind, daß mit dem Abgriff jedes Spannungsteiler· jeweils clie eine Klemme eines Sumniierwidcrstandcs verbunden ist, daß die anderen Klemmen der Summierwidersiände gruppenweise zusammengeschüttet sind, und daß der Verbindungspunkt jeder Gruppe über einen Schalter mit dem Eingang des Hauptvcrstiirkcrs verbunden ist. Die Schalter sind dabei vorzugsweise durch Halbleiterschaltungselemente, beispielsweise Feldeffekttransistoren gebildet

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigl

Fig. 1 eine erste Ausführungsform des nichtlinearen Gleichspannungsverslärkers nach der Erfindung,

Fig. 2 die Vcrstärkerkcnnlinie des Verstärkers von Fig. 1,

Fig. 3 eine andere Ausfiihrungsform des nichtlinearen Gleichspannungsverstärkers nach der Erfindung,

Fig. 4 die Verstärkerkennlinie des Verstärkers von Fig. 3,

Fig. 5 einen nach der Erfindung ausgebildeten nichtlinearen Gleichspannungsverstärker, bei dem die Ausführungsformen von Fig. 1 und 3 vereinigt sind

Fig. 6 Beispiele möglicher Verstärkerkcnnlinier des Verstärkers von Fig. 5 und

Fig. 7 und 8 verschiedene Kennliniendiagramme zur Erläuterung der mit der Erfindung erzielten vorteilhaften Wirkungen.

Der in Fig. 1 dargestellte nichtlineare Gleichspannungsverstärker enthält einen Hauptverstärker 10 der aus zwei in Kaskade geschalteten Operationsverstärkern 11 und 12 gebildet ist. Von der äußeren Beschaltung der Operationsverstärker ist jeweils nur dei Rückführungswiderstand 13 bzw. 14 dargestellt, dei den Ausgang des Operationsverstärkers mit dem in-ι vertierenden Eingang verbindet. Der nichtinvertierende Eingang jedes der beiden Operationsverstärkei ist an Masse gelegt. Ferner ist der Ausgang des erster Operationsverstärkers 11 mit dem invertierender Eingang des zweiten Operationsverstärkers 12 übei eine Widerstand 15 verbunden. Der invertierende Eingang des ersten Operationsverstärkers 11 ist übei einen Widerstand 16 mit der Eingangsklemme 17 verbunden, an die das Ausgangssignal des Meßwandlen angelegt ist, das durch den nichtlinearen Gleichspannungsverstärker linearisiert werden soll. Der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 12 ist mit der Ausgangsklemme 18 der Schaltung verbunden.

Der invertierende Eingang des ersten Operationsverstärkers 11 stellt somit den Eingang 19 des Hauptverstärkers 10 dar, und der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 12 bildet den Ausgang 20 de; Hauptverstärkers 10.

Der Ausgang 20 des Hauptverstärkers 10 ist mil seinem Eingang 19 über eine Anzahl von paralleler Schaltungszweigen /I₁... A_n verbunden, von dener in Fig. 1 nur der erste Schaltungszweig A₁ und dei letzte Schaltungszweig A_n dargestellt sind. Diese Schaltungszweige haben alle den gleichen Aufbau; Ci wird daher nur der Aufbau des Schaltungszweigs A beschrieben. Dieser Schaltungszweig enthält cir nichtlineares Operationsverstärkerglied, bestehcnc aus einem Operationsverstärker 21 mit einer äußerer Beschallung, die dem Operationsverstärkerglied cir nichtlineares Verhalten erteilt. Zu dieser äußeren Beschallung gehören zwei Dioden 22 und 23, von dcncr die Diode 22 den Ausgang des Operationsverstärker! 21 mit seinem invertierenden Eingang verbindet während die Diode 23 in Serie mit dem Rückführungswiderstand 24 im Rückführungskreis liegt, dei vom Ausgang des Operationsverstärkers zum invertierenden Eingang führt. Diese Schaltung stellt einer sogenannten Präzisionsglcichrichteidar, der das Verhalten einer idealen Diode zeigt. Der nichtinvertie-

rende Eingang des Operationsverstärkers 21 liegt an Masse. Der invertierende Eingang ist einerseits über einen Widerstand 25 mit der Ausgangsklemmc 20 des Hauptverstärkers 10 verbunden, und andererseits über einen Widerstand 26 mit einem Schaltungspunkt 27, der an einer negativen Referenzspannung — U_Re/ , liegt. Die Widerstände 25 und 26 bilden somit einen Spannungsteiler, der zwischen dem Ausgang 20 des Hauptverstärkers 10 und dem an der negativen Referenzspannung liegenden Schaltungspunkt 27 angeschlossen ist und dessen Abgriff mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 21 verbunden ist.

Der Ausgang des nichtlincarcn Operationsverstärkerglieds, der durch den Verbindungspunkt zwischen dem Rückführungswiderstand 24 und der Diode 23 gebildet ist, ist über einen Summierwiderstand 28 mit dem Eingang 19 des Hauptverstärkers 10 verbunden. Dieser Eingang, an dem die Summierwiderstände aller Schaltungszweige sowie der Widerstand 16 zusammengeführt sind, bildet somit einen Summierpunkt für die dem Hauptverstärker 10 zugeführten Ströme.

Mit diesem Summierpunkt 19 ist auch der Abgriff eines einstellbaren Spannungsteilers 29, der an einer Gleichspannung U_Rr/n liegt, über einen weiteren Summierwiderstand 30 verbunden.

Die die nichtlinearen Operationsverstärkerglieder enthaltenden Schaltungszweige A_x... A_n liegen also zueinander parallel zwischen dem Ausgang 20 und dem Eingang 19 des Hauptverstärkers 10. Infolge des Aufbaus des Hauptverstärkers aus zwei in Kaskade geschalteten Operationsverstärkern ändert sich das Signal am Ausgang 20 gleichsinnig mit dem dem Eingang 19 zugeführten Signal. Es wird angenommen, daß die Eingangsspannung U₁. nur positive Werte annimmt, so daß auch die Ausgangsspannung U₁₁ stets positiv ist.

Die Wirkungsweise dieses nichtlinearen Gleichspannungsverstärkers soll anhand von Fig. 2 erläutert werden, welche die Verstärkerkennlinie, d.h. den Verlauf der Ausgangsspannung U₁₁ als Funktion der Eingangsspannung U_c zeigt.

Die an die Klemmen 27 der verschiedenen Schaltungszweige A_x... A_n angelegten Referenzspannungen U_Rfj ,... U_Hr/ „ sind alle negativ, so daß die sich wie ideale Dioden verhaltenden nichtlinearen Operationsverstärkergliedcr aller Schaltungszweigc gesperrt sind, wenn die Ausgangsspannung U₁₁ den Wert Null hat. Im Kcnnliniendiagramm von Fig. 2 ist angenommen, daß dies für den Wert Null der Eingangsspannung U_r der Fall ist.

Im Anfangszustand sind daher alle Schaltungs-

zweigc

A_n unterbrochen und somit für die

Funktion des Verstärkers unwirksam. Wenn die Eingangsspannung U₁. vom Wert Null in positiver Richtung ansteigt, ändert sich die Ausgangsspannung U₁₁ dazu proportional entsprechend dem Segment I der Kennlinie von Fig. 2, dessen Steigung durch den Widerstand 16 in Verbindung mit dem inneren Aufbau des Hauptverstärkers 10 bestimmt ist.

Wenn die Ausgangsspannung U₁₁ einen bestimmten Wert U_uX erreicht, der von den Werten der Widerstände 25, 26 des Schaltungszweigs A_x und der an die Klemme 27 dieses Schallungszweigs angelegten Referenzspannung — U_l(cl , abhängt, beginnt das nielitlineare Operationsverstärkerglied dieses Schallungszweigs stromführend zu weiden, so daß es über den Suniniierwiderstand 28 einen Strom in den Summierpunkt 19 einzuspeisen beginnt. Dadurch ändert sich die Steigung der Vcrstärkerkennlinie, so daß der weitere Anstieg der Ausgangsspannung U₁₁ entsprechend dem Segment II der Verstärkerkennlinie erfolgt.

Wenn die Ausgangsspannung U₁₁ einen Wert U_tl2 erreicht, wird ein weiterer Schaltungszweig stromführend, und die Steigung der Verstärkerkennlinie entspricht nun dem Segment III von Fig. 2.

Auf diese Weise kann eine Verstärkerkennlinic mit η Knickpunkten erhalten werden, die den gewünschten Verlauf angenähert wiedergibt. Die Knickpunkte sind durch die Bemessung der Widerstände 25, 26 und die Einstellung der Referenzspannungen U_Kej_X... U_Kl.j_n der verschiedenen Schaltungszweige A₁... A_n wählbar, und die Steigungen der verschiedenen Segmente der Verstärkerkennlinie sind durch die Werte der Widerstände 24,25 und der Summierwiderstände 28 einstellbar, so daß mit der dargestellten Schaltung jeder beliebige Kennlinienverlauf angenähert werden kann, mit der Einschränkung, daß nur eine abfallende Steigung möglich ist, wie in Fig. 2 gezeigt ist.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung in Verbindung mit Fig. 2 zu erkennen ist, zeigt diese Schaltung die wesentliche Eigenschaft, daß die Lage der Knickpunkte der Kennlinie nur von bestimmten Werten der Ausgangsspannung U₁₁ abhängig sind, unabhängig von den Werten der Eingangsspannung U₁., bei denen diese Werte der Ausgangsspannung U₁₁ erhalten werden.

Die dadurch erzielte vorteilhafte Wirkung soll anhand der Fig. 7 und 8 erläutert werden.

Das Diagramm von Fig. 7 zeigt die Eichkurve a eines Meßwandlers, also die Ausgangsspannung des Meßwandlers als Funktion der Meßgröße M. Diese Spannung bildet zugleich die Eingangsspannung U₁. des nichtlinearen Gleichspannungsverstärkers. Diese Eichkurvc ist gekrümmt; die Spannung U₁. steht also in keinem linearen Verhältnis zu der Meßgröße M. Damit eine in Abhängigkeit von der Meßgröße M lineare Spannung erhalten wird, muß der dem Meßwandler nachgeschaltete Gleichspannungsverstärker eine Verstärkerkennlinie haben, wie sie bei ein Fig. 8 dargestellt ist; diese Kennlinie ist die Umkehr- oder Spiegelfunktion zu der Eichkurve a. Diese Kennlinie kann in der zuvor geschilderten Weise näherungsweise durch Einstellung der Knickpunkte und Steigungen der Vcrstärkerkennlinie der Schaltungsanordnung von Fig. 1 erhalten werden.

Es sei nun angenommen, daß der Verstärker an einen Meßwandler angeschlossen ist, der eine Eichkurvc hai, die der Kurve h von Fig. 7 entspricht. Diese Kurve entspricht einer Parallelverschiebung der Kurve α um einen konstanten Betrag (Offset-Faktor) in der Ordinatenrichtung. Die Ausgangsspannung des Meßwandlers hat dann im Nullpunkt der Meßgröße nicht den Wert Null, sondern einen Wert U_n. Um diesen Offsct-Faklor in der Ausgangsspannung U₁₁ zu beseitigen, so daß diese für den Meßwert Null ebenfalls den Wert Null annimmt, muß die Vcrstärkerkennlinie von Fig. 8 parallel zu sich selbst verschoben werden, wie durch die Pfeile angedeutet ist.

Diese Parallel verschiebung kann bei der Schaltung von Fig. 1 einfach durch entsprechende Einstellung des Potentiometers 29 erfolgen, so daß dieses /um Summierpunkt 19 einen Offsct-Stmm liefen, der den Anfangspunkt der Kennlinie in den Punkt (V₁, ver-

schiebt. Infolge der zuvor geschilderten Tatsache, daß die Knickpunkte der Kennlinie nicht von den Werten der Eingangsspannung U₁,, sondern von den Werten der Ausgangsspannung U₁₁ abhängen, behält die Kennlinie bei dieser Verschiebung ihre Form unverändert bei, so daß der lineare Zusammenhang zwischen der Ausgangsspannung U₁, und der Meßgröße erhalten bleibt.

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform des nichtlinearen Gleichspannungsverstärkers zur Erzielung einer Verstärkerkennlinie mit zunehmender Steigung, wie sie in Fig. 4 gezeigt ist.

Die Ausbildung des Hauptverstärkers 10 mit den Operationsverstärkern 11, 12 und den Widerständen 13, 14, 15, die Verbindung des Hauptverstärkers 10 mit der Eingangsklemme 17 über den Widerstand 16 und mit der Ausgangsklemme 18 sowie die Schaltung 29, 30 zur Offset-Kompensation sind gegenüber der Schaltungsanordnung von Fig. 1 unverändert beibehalten. Dagegen unterscheidet sich die Schaltung von Fig. 3 von derjenigen von Fig. 1 hinsichtlich der Ausbildung der die nichtlinearen Operationsverstärkerglieder enthaltenden Schaltungszweige S₁... B_n, von denen nur der erste Schaltungszweig B₁ und der letzte Schaltungszweig B_n dargestellt sind.

Da diese Schaltungszweige den gleichen Aufbau haben, wird wieder nur die Ausbildung des Schaltungszweiges ß, beschrieben. Er enthält einen Operationsverstärker 31, der durch die äußere Beschallung nichtlinear ausgebildet ist. Zu diesem Zweck ist dem Operationsverstärker eine Diode 32 nachgeschaltet, die in Reihe mit dem Rückführungswiderstand 33 in dem zum invertierenden Eingang des Verstärkers führenden Rückführungskreis liegt. Der Verbindungspunkt zwischen dem Rückführungswiderstand 33 und der Diode 32 bildet den Ausgang des nichtlinearen Operationsverstärkerglieds, der über den Summierwiderstand 34 mit dem Summierpunkt am Eingang 19 des Hauptverstärkers 10 verbunden ist.

Zwischen dem Ausgang 20 des Hauptverstärkers 10 und einem an einer negativen Bezugsspannung — U_Ke/ liegenden Klemme 35 ist eine Spannungsteilerkette aus Widerständen A₁, /{,... W_n, R_n _M angeschlossen. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 31 ist mit dem ersten Abgriff P₁ der Spannungsteilerkette verbunden. In gleicher Weise sind die nichtinvertierenden Eingänge der Operationsverstärker der übrigen Schaltungszweige Ii₂... B_n mit den aufeinanderfolgenden Abgriffen /\... /', der Spannungsteilerkette verbunden.

Die Wirkungsweise dieser Schaltung entspricht vollkommen der zuvor beschriebenen Wirkungsweise der Schaltung von Fig. I, mit dem Unterschied, daß die Steigung der aufeinanderfolgenden Segmente 1, II, III... der Verstärkerkennlinie nicht abnimmt,sondern zunimmt (Fig. 4).

Diese Schaltung weist auch alle Vorteile auf, die zuvor anhand der Fig. 7 bis 12 erläutert worden sind; insbesondere ist es möglich, den Offset-Faktor durch entsprechende Einstellung des Potentiometers 29 ohne merkliche Verschlechterung der Linearität zu kompensieren und Änderungen des Empfindliehkeitsfaktors durch Einstellung der Verstärkung des Hauptverstärkers IO zu berücksichtigen.

Fig. 5 zeigt einen nichtlinearen Gleichspannungsverstärker, bei dem die Schaltungen von Fig. I und Fig. 3 vereinigt sind, so daß es möglieh ist, Verstärkerkennlinien mit wechselnder Steigungsrichtung und Wendepunkten zu erhalten, wie sie als Beispiel in Fig. 6 dargestellt sind.

Die Ausbildung des Hauptverstärkers 10 mit den Operationsverstärkern 11, 12 und die Verbindungen "ι des Hauptverstärkers mit der Eingangsklemme S 7 und der Ausgangsklemme 18 sind wiederum unverändert beibehalten. Die zusätzlichen Widerstände 37 und 38, welche die nichtinvertierenden Eingänge der Operationsverstärker 11, 12 mit Masse verbinden, stellen

K) eine bekannte Maßnahme zur Verbesserung des Temperaturverhaltens der Operationsverstärker dar.

In diesem Fall sind zwei Gruppen von Schaltungszweigen C₁... C_n und D₁... D_n vorgesehen, von denen jeweils nur der erste Schaltungszweig C₁ bzw. D₁ dar-

ΙΊ gestellt ist. Die Schaltungszweige C entsprechen dem Prinzip von Fig. 1 und ergeben somit eine Verstärkerkennlinie mit fallender Steigung, wenn sie der Reihe nach ansprechen. Die Schaltungszweige D entsprechen dem Prinzip von Fig. 3 und ergeben eine Verstärkerkennlinie mit zunehmender Steigung, wenn sie der Reihe nach ansprechen. Wenn die Ausbildung so getroffen wird, daß zunächst alle Schaltungszweige C und dann alle Schaltungszweige D der Reihe nach ansprechen, erhält man eine Kennlinie der

2j bei m in Fig. 6 dargestellten Art, deren Steigung zunächst abnimmt und dann nach Durchgang durch einen Wendepunkt wieder zunimmt. Wenn umgekehrt zunächst alle Schaltungszweige D und dann alle Schaltungszweige C der Reihe nach ansprechen, hat

i« die Verstärkerkennlinie etwa den bei /i in Fig. 6 gezeigten Verlauf. Es können auch kompliziertere Formen der Verstärkerkennlinie erhalten werden.

Die Schaltung von Fig. 5 enthält darüber hinaus eine Reihe von weiteren Maßnahmen, die das Verhal-

n ten der Schaltung verbessern und die Anwendungsmöglichkeiten der Schaltung erweitern.

Jeder Schaltungszweig C enthält, wie die Schaltungszweige A von Fig. 1, ein nichtlineares Operationsverstärkcrglied, das als Präzisionsgleichrichter

to geschaltet ist und aus einem Operationsverstärker 41, Dioden 42 und 43 und einem den Ausgang mit dem invertierenden Eingang verbindenden Rückführungswiderstand 44 besteht. Der invertierende Eigang ist ferner über einen Widerstand 45 mit dem Ausgang

r> 20des Hauptverstärkers sowie über einen Widerstand

46 mit dem Abgriff eines einstellbaren Potentiometers

47 verbunden, das zur Einstellung der Referenzspannung für den betreffenden Schaltungszweig dient. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstär-

-,n kers 41 ist über einen das Temperaturverhalten verbessernden Widerstand 48 mit Masse verbunden. Für jeden der Schaltungszweige C₁... C₁₁ ist natürlich ein eigenes Potentiometer 47 zur getrennten Einstellung der zugeordneten Referenzspannung vorgesehen.

γ-, Jeder der Schaltungszweige D enthält, wie jeder Schaltungszweig B von Fig. 3, ein nichtlineares Operationsverstärkerglied mil einem Operationsverstärker 51, einer Diode 52 und einem zum invertierenden Ringang führenden Rückführungswiderstand 53. Die

ho nichtinvertierenden Eingänge der Operationsverstärker der Schaltungszweige D₁... D_n sind mit den Abgriffen /',.·· ''„ einer Spannungsteilerketle verbunden, die aus in Serie geschalteten Widerständen W₁, W₂... W_n,! besteht und zwischen dem Ausgang 20 des

t,--, Hauptverstärkers 10 und einem an einer Be/.ugsspannung liegenden Schultungspunkt 55 angeschlossen ist.

Gegenüber den Schallungen von Fig. 1 und 3 sind

bei der kombinierten Schaltung von Fig. 5 noch fol-

gende zusätzliche Maßnahmen getroffen:

- Die Summierwiderstände der Schaltungszwcigc sind nicht direkt an die Ausgänge der nichtiinearen Operationsverstärkerglieder angeschlossen, sondern an die Abgriffe von einstellbaren Spannungsteilern, die ihrerseits an du; Ausgänge der nichtlinearen Operationsverstärkerglieder angeschlossen sind; dies ergibt eine zusätzliche Einstellmöglichkcit für die Verstärkerkennlinie.

- In jedem Schaltungszweig sind mehrere Spannungsteiler mit angeschlossenem Summierwiderstand vorgesehen, und die Summierwiderstände sind zu Gruppen zusammengefaßt, die jeweils einen Summierwiderstand von mehreren verschiedenen Schaltungszweigen enthalten; ferner sind elektronische Schalter vorgesehen, mit denen jeweils eine Gruppe von Summierwiderständen mit dem Summierpunkt am Eingang 19 des Hauptverstärkers verbunden werden kann. Dadurch ist es möglich, den nichtlinearen Verstärker auf verschiedene vorprogrammierte Verstärkerkennlinien umzuschalten.

- In jedem Ausgangskreis jedes nichtlinearen Operationsverstärkerglieds liegt eine Diode, die eine Verrundung des von dem betreffenden Schaltungszweig erzeugten Kennlinienknicks ergibt.

- Im Eingangskreis jedes nichtlinearen Operationsverstärkerglieds liegt eine Diode zur Kompensation der von den Verrundungs-Dioden verursachten Temperaturabhängigkeit.

- Parallel zu den nichtlinearen Schaltungszweigen C₁... C_n, D₁... D_n liegt ein Schaltungszweig E mit einem linearen Operationsverstärkerglied zwischen dem Ausgang und dem Eingang des Hauptverstärkers. Dieser Schaltungszweig E ermöglicht die Einstellung der Verstärkung des Hauptverstärkers zur Anpassung an unterschiedliche Empfindlichkeitsfaktoren.

In Fig. 5 ist zu erkennen, wie diese Maßnahmen verwirklicht sind:

An den Ausgang des nichtiincaren Opcrationsvcrstärkerglieds des Schaltungszweigs C₁ sind parallel mehrere einstellbare Potentiometer 6O₀... 60* jeweils über eine Diode 6I₀... 61* angeschlossen. Die Dioden 6I₀... 61* sind die Verrundungs-Dioden. In der Verbindung zwischen dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 41 und dem Abgriff des Spannungsteilers 47 liegt eine weitere Diode 62 zur Temperaturkompensation der Verrundungsdioden. Der Abgriff jedes Potentiometers 6O₀... 60*. ist mit der einen Klemme eines zugeordneten Summierwiderstands 63_O... 63* verbunden.

In gleicher Weise sind an den Ausgang des nichtiincaren Operationsverstärkerglieds des Schaltungszweiges D₁ parallel mehrere einstellbare Potentiometer 7O₀... 70* jeweils über eine Verrundungs-Diode 7I₁₁... 71* angeschlossen. Die Temperaturkompensation erfolgt in diesem Fall durch eine Diode 72, die in Reihe mit dem Widerstand R₁ in der Spannungsteilcrkcttc liegt. Der Abgriff jedes Potentiometers 7O₀... 70* ist mit der einen Klemme eines zugeordneten Summierwiderstands 73„... 73* verbunden.

Der Schaltungszweig E enthält einen linearen Operationsverstärker 81 mit einem Rückführungswiü-irstand 82, der seinen Ausgang mit dem invertierenden Eingang verbindet, der außerdem über einen Widerstand 83 mit dem Ausgang 20 des Hauptverstärkers 10 verbunden ist. In der Verbindung zwischen dem nichtinverticrenden Ausgang und Masse liegt ein Widerstand 84 zur Verbesserung des Temperaturverhaltens. An den Ausgang des Operationsverstärkers 81 sind parallel mehrere einstellbare Potentiometer 85,,... 85,. angeschlossen, deren Abgriffe jeweils mit einer Klemme eines zugeordneten Summierwiderstands 86_O... 86* verbunden sind.

Schließlich sind zur Offset-Kompensation mehrere Potentiometer 29_a... 29* vorgesehen, deren Abgriffe jeweils mit einer Klemme eines zugeordneten Summierwiderstands 3O₀... 3O₁ verbunden sind.

Die Summierwiderstände 3O₀, 63_O, 73_O, 86_O und die entsprechenden Summierwiderstände der übrigen Schaltungszweige C₁... C_n, D₁... D₁₁ sind zu einer Gruppe zusammengefaßt, und der Verbindungspunkt 9O₀ dieser Gruppe ist mit dem Drain-Anschluß eines Feldeffekttransistors 91_U verbunden, dessen Source-Anschluß mit dem Summierpunkt am Verstärkereingang 19 verbunden ist, und dessen Gate-Anschluß über einen Widerstand 92_O an eine negative Spannung — U gelegt ist. In gleicher Weise sind auch die anderen Summierwiderstände der Schaltungszweige zu Gruppen zusammengefaßt und jeweils mit einem zugeordneten Feldeffekttransistor verbunden, wie in Fig. 5 nur noch für die Summierwiderstände 30*, 63*, 73*, 86* und den Feldeffekttransistor 9>1*. mit seinem Vorspannungswiderstand 92*. gezeigt ist.

Die an die Gate-Anschlüsse angelegte negative Spannung hält die Feldeffekttransistoren 91_U... 9I₁ normalerweise gesperrt. Mit Hilfe eines Umschalters 93 kann jeweils der Gate-Anschluß eines der Feldeffekttransistoren an Massepotential gelegt werden, wodurch der betreffende Feldeffekttransistor leitend wird und die ihm zugeordnete Gruppe von Summierwiderständen mit dem Verstärkereingang verbindet. Der nichtlineare Gleichspannungsverstärker hat dann eine Verstärkerkennlinie, die durch die betreffenden Summierwiderstände und die Einstellung der zugehörigen Potentiometer festgelegt ist. Durch Betätigung des Umschalters 93 kann der Verstärker auf verschiedene andere voreingestellte Verstärkerkennlinien umgeschaltet weiden.

Mit Hilfe der Potentiometer 85„... 85* des Schaltungszweiges E kann für jede Verstärkerkennlinie die Verstärkung des Hauptverstärkers 10 eingestellt werden; beider Umschaltung auf eine andere Verslärkerkcnnlinie wird diese Verstärkung automatisch mit umgeschaltet. Diese Art der Verstärkungseinstellung ergibt den Vorteil, daß sie die durch die Widerslände 37, 38, 48, 84 bewirkte Temperaturkompensation praktisch nicht beeinflußt.

In gleicher Weise kann auch der Strom zur Korrektur des Offset-Faklors für jede Veistärkerkennlinie mit Hilfe der Potentiometer 29_U... 29* getrennt eingestellt werden, und die Umschaltung der Offset-Kompensation erfolgt gleichfalls automatisch zusammen mit der Umschaltung der Vcrstärkcrkcnnliniu.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Nichtlinearer Gleichspannungsvcrstärker für Meßzwecke, mit einem an einen Meßwandler angeschlossenen Hauptverstärker, dessen Gesamtverstärkung durch einen oder mehrere nichtlinear ausgebildete Operationsverstärkerglieder bestimmt ist, deren Ausgänge jeweils über einen Summierwiderstand mit dem Eingang des Hauptverstärkers verbunden sind und deren Einsatzpunkte von unterschiedlichen Werten der Meßgröße abhängen, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Eingang jedes Operationsverstärkerglieds mit einem Abgriff eines Widerstands-Spannungsteilers verbunden ist, der zwischen dem Ausgang des Hauptverstärkers und einem an eine Referenzspannung gelegten Schaltungspunkt angeschlossen ist.

2. Nichtlincarer Gleichspannungsverstärker nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptverstärker so ausgebildet ist, daß sich sein Ausgangssignal gleichsinnig mit seinem Eingangssignal ändert.

3. Nichtlinearer Gleichspannungsverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptverstärker zwei Operationsverstärker enthält, daß der f-nvertierende Eingang des ersten Operationsverstärkers den Eingang des Hauptverstärkers bildet, daß der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers den Ausgang des Hauptverstärkers bildet, und daß der invertierende Eingang des zweiten Operationsverstärkers mit dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers verbunden ist.

4. Nichtlinearer Gleichspannungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für wenigstens einen Teil der Operationsverstärkerglieder jeweils ein eigener Spannungsteiler vorgesehen ist, an dessen Abgriff der invertierende Eingang des Operationsverstärkers angeschlossen ist, und daß die Spannungsteiler zueinander parallel zwischen dem Ausgang des Hauptverstärkers und Schaltungspunkten mit unterschiedlichen Referenzspannungen angeschlossen sind.

5. Nichtlinearer Gleichspannungsverstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Operationsverstärkerglied als Präzisionsgleichrichter geschaltet ist.

6. Nichtlinearer Gleichspannungsverstärker nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannung jedes Spannungsteilers einstellbar ist.

7. Nichtlinearer Gleichspannungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für wenigstens einen Teil der Operationsverstärkerglieder ein zwischen dem Ausgang des Hauptverstärkers und einem an der Referenzspannung liegenden Schaltungspunkt angeschlossenen Spannungsteiler mit mehreren gestaffelten Abgriffen vorgesehen ist, und daß die nichtinvertierenden Eingänge der Operationsverstärkerglieder an die Abgriffe des Spannungsteilers angeschlossen sind.

8. Nichtlinearer Gleichspannungsverstärker nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Operationsverstärkerglied durch einen

Operationsverstärker mit nachgeschalteter Diode und einen den Diodenausgang mit dem invertierenden Eingang verbindenden Rückführungswiderstand gebildet ist.

9. Nichtlinearer Gleichspannungsverstärker nacli einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Verbindung zwischen dem Ausgang eines Operationsverstärkerglieds und den Eingang des Hauptverstärkers eine Halbleiterdiode liegt.

K). Nichtlinearer Gleichspannungsverstärker nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in dem mit dem Eingang des Operationsverstärkerglieds verbundenen Spannungsteiler eine Halbleiterdiode liegt.

I). Nichtlinearer Gleichspannungsverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Ausgang des Hauptverstärkers der invertierende Eingang eines linearen Operationsverstärkerglieds verbunden ist, an dessen Ausgang ein Spannungsteiler angeschlossen ist, dessen Ausgang über einen Summierwiderstand mit dem Eingang des Hauptverstärkers verbunden ist.

12. Nichtlinearer Gleichspannungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis K), dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang jedes Operationsverst;<rkerglieds wenigstens ein Spannungsteiler angeschlossen ist, dessen Abgriff über einen Summierwiderstand mit dem Eingang des Hauptverstärkers verbunden ist.

13. Nichtlinearer Gleichspannungsverstärker nach Anspruch 12 oder nach den Ansprüchen 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang jedes Operationsverstärkerglieds mehrere Spannungsteiler parallel angeschlossen sind, daß mit dem Abgriff jedes Spannungsteilers jeweils die eine Klemme eines Summierwiderstandes verbunden ist, daß die anderen Klemmen der Summierwiderstände gruppenweise zusammengeschaltet sind, und daß der Verbindungspunkt jeder Gruppe über einen Schalter mit dem Eingang des Hauptvcistärkers verbunden ist.

14. Nichtlinearer Gleichspannungsverstärker nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter durch Halbleiterschaltungselemente gebildet sind.

15. Nichtlinearer Gleichspannungsverstärker nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Ausgänge der Operationsverstärkerglieder angeschlossenen Spannungsteiler einstellbar sind.

16. Nichtlinearcr Gleichspannungsverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beseitigung eines Offset-Faktors der Eingang des Hauptverstärkers über einen weiteren Summierwiderstand mit dem Abgriff eines an eine Referenzspannung gelegten Spannungsteilers verbunden ist.