DE2620282C3

DE2620282C3 - Nichtlinearer Gleichspannungsverstärker für Meßzwecke

Info

Publication number: DE2620282C3
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: 1979-01-18
Also published as: JPS52154653A; NL7704982A; DE2620282A1; CH615504A5; JPS6128084B2; GB1575556A; DE2620282B2; US4147989A; IT1075099B; FR2350730B1; FR2350730A1; SE7705316L

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 jeweils über einen Summierwiderstand mit dem Eingang des Hauptverstärkers verbunden sind und deren Einsatzpunkte von unterschiedlichen Werten der Meßgröße abhängen.

Meßwandler, die zur Umsetzung einer beliebigen physikalischen Meßgröße in ein elektrisches Signal (Spannung, Strom) verwendet werden, sind in den meisten FäHan 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 Arten 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 ur.ti dem elektrischen Signal vorhanden sein. Es ist bekannt, zu diesem Zweck dem Meßwandler einen nichtlinearen Gleichspannungsverstärker nachzuschalten, dessen Kennlinie zu der Eichkurve genau invers ist (Umkehroder Spiegelfunktion).

Zu diesem Zweck können nichtlineare Gleichspannungsverstärker der eingangs angegebenen Art verwendet werden, die beispielsweise aus dem »Handbook and Catalog of Operational Amplifiers« der Burr-Brown Research Corporation. 1969, Seite 4«, sowie aus der Zeitschrift »Internationale elektronische Rundschau« 1970, Nr. 10 Seiten 265 bis 269, 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 Tjilstücke angenähert wird, wobei die Knickpunkte den Einsatzpunkten der nichtlinear ausgebildeten Operationsverstärkerglieder entsprechen. Bei diesen bekannten nichtlinearen Gleichspannungsverstärkern sind die invertierenden Eingänge 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 Eingangskiemine und einem Bezugspotential angeschlossen sind. Die Spannungsteilerverhältnisse der Spannungsteiler sind verschieden. Wenn aas Ausgangssignal des Meßwandlers an den Signaleingang gelegt wird, werden die Operationsverstärkerglieder, je nach dem Spannungsteilerverhältnis, 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 Operationsverstärker gebildeten Hauptverstärkers bestimmt.

Wenn diese bekannten nichtlinearen Gleichspannungsverstärker für die Linearisierung der Eichkurven von Meßwandlern verwendet werden, sind die Einsatzpunkte der nichtlinearen Operationsverstärkerglicder und damit die Knickpunkte der Verstärkerkennlinic durch bestimmte Werte des Ausgangssignals des MeUwandlers festgelegt, das in einer nichtlinearen Beziehung zur Meßgröße steht. Wenn somitdie 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 in Bauelemente des nichtlinearen Gleichspannungsverstärkers 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 Gleichspannungsverstäikers der ein-■?< ) gangs angegebenen Art, der eine exakte Annäherung auch an stark gekrümmte Kenp'-.nien und eine einfache Anpassung an unterschiedliche Meßwandler ermöglicht.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch ii gelöst, daß jeweils ein Eingang jedes Operaiionsverstärkcrglieds mit einem Abgriff eines Widerstands-Spannungsteilers verbunden ist, der zwischen dem Ausgang des Hauptverstärkers und einem an eine Referenzspannung gelegten Schaltungspunkt angeiii schlossen 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 beider Realisierung von starken Kennlinienkrümmungen der Vorteil, daß durch elektronische -m Bauelemente verursachte Offset- und Verstärkungsänderungen in den nichtlinearen Operationsverstärkern einen wesentlich geringeren Fehler am Ausgang des Hauptverstärkers erzeugen als bei den bekannten nichtlinearen Gleichspannungsverstärk-;rn. Dadurch, v> daß die Einsatzpunkte der nichtlinearen Operationsverstärkerglieder von der Ausgaiigsspannung des Hauptverstärkers abhängen, die bereits einen auf die Meßgröße bezogenen entgegengesetzten Verlauf zur Eichkurve hat, beziehen sich auch die Rcferenzspanjo nungen 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 v> Oflset-Strom dem Summierpunkt am Eingang der Hauptverstärkerkette zugeführt wird Diese Maßnahme hat eine einfache Parallelverschiebung der Verstärkerkennlinie zur Folge.

Vorzugsweise ist der Hauptverstärker so ausgebilbo det, daß sich sein Ausgangssignal gleichsinnig mit seinem Eingangssignal ändert. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß der Hauptverstärker zv.ei Operationsverstärker enthält, daß der invertierende Eingang des b5 ersten Operationsverstärkers den Eingang des Hauptverstärkers bildei, daß der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers den Ausgang des Hauptverstärkers bildet, und daß der invertierende Eingang des zweiten

Operationsverstärkers mit clem Ausgang des ersten Operationsverstärkers verbunden ist.

Eine Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß für wenigstens einen Teil der Operationsverstiirkergliedcr 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 Verslärkerkennlinie mit abnehmender Steigung. Dabei ist vorzugsweise jedes Operationsverstärkerglied als l'rä/isionsgleichrichtcr geschaltet, und die Referenzspannung jedes Spannungsteilers ist vorzugsweise einstellbar.

Fine andere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß für wenigstens einen Teil der Operamente. beispielsweise Feldeffekttransistoren gebildet

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung er geben sieh aus der folgenden Beschreibung von Aus führungsbeispielen anhand tier Zeichnung. Fis zeig

Fig. 1 eine erste Ausfiihrungsform des nichtli nearen Gleichspannungsverstärkers nach der Erfin dung.

Fig. 2 die Vcrstärkerkennlinie des Verstärkers voi Fig. I.

F⁷ig. 3 eine andere Ausfiihrungsform des nichtli ne;ircn OlcichspnnmingsvcrMärkcrs nach der F.rfin thing.

I ig. 4 die Verstärkerkennlinie des Verstärkers voi Fig. 3.

I ig. 5 einen nach tier Erfindung ausgebildetei nichtlinearen Gleichspannungsverstärker, bei dem dii Ausführungsformcn von Fig. I und 3 vereinigt sind Fig. (i Heispiele mögliehei Vcrstärkcrkennlioi.-·

I lauptverstärkers und einem an der Referenzspannung liegenden Schaltungspunkt angeschlossener Spannungsteiler mit mehreren gestaffelten Abgriffen vorgesehen ist. und daß die nichtimerlierenden Eingänge der Operationsverstärkerglieder an die Abgriffe des Spannimgsteilers angeschlossen sind.

Diese Ausbildung ergibt C'ⁿc Verstärkerkennlinie mit zunehmender Steigung

Die beiden Mitnahmen können auch cleii-hzeitig angewendet werden, wodurch es möglieh ist. Verstäikerkennlinien mit Wendepunkten zu erhalten.

Fine vorteilhafte Weiterbildung tier Erfindung besteht darin, daß in jeder Verbindung zwischen dem Ausgang eines Operationsverslärkerglieds und dem F.ingang lies Mauptverstärkers eine Halbleiterdiode liegt. Dadurch wiril eine Verrundiingder Knickpunkte tier Verstärkerkennlinie erzielt.

Die Verstärkungsänderung des Hauptverstärkers kann nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erlindung auf einfache Weise dadurch geschehen, daß mit dem Ausgang des Hauptverstärkers der invertierende Eingang eines linearen Operationsverstärker-Glieds verbunden ist. an dessen Ausgang ein Spannungsteiler angeschlossen ist. dessen Ausgang über einen Summierwiderstand mit dem Eingang des Hauptverstärkers \crbunden ist.

Fiine andere Ausgestaltung der Erfindung bestellt darin, daß an den Ausgang jedes Operationsverstiirkcrglieds wenigstens ein Spannungsteiler angeschlossen ist. dessen Abgriff über einen Summierwiderstand mit dem Eingang des Hauptverstärkers verbunden ist. Dadurch ergibt s'-:h 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 verschiedene voreingcstellte nichtlineare Kennlinien umschaltbar ist. Dies kann gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes dadurch erfolgen, 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 Hauptverstärkers verbunden ist. Die Schalter sind dabei vorzugsweise durch Halbleiterschaltungsele-I-ig. 7 und X verschiedene Keiinlinieiidiagramnu zur Erläuterung der mit der Erfindung er/ieiien vor teilhatici, Wirkungen.

Der in I ig. I dargestellte nichtlineare (!!eiehspaiv lumgsverstärker enthüll einen Hauptverstärker 10

ι du aus zwei in Kaskade geschalteten Opcrationsver starkem 11 und 12 gebildet ist. Von der äußeren He schaltung der Oprr.itions\ erstärker ist jeweils nur de kiickfi'!Tiingswidersland 13 bzw. 14 dargestellt, dei den Ausgang des Operationsverstärkers mit dem in verlierenden Eingang verbindet. Der nichtiuvertie rende Eingang jedes der beiden Oprrationsverstürkci ist an Masse gelegt. Femer ist der Ausgang des erster Operationsverstärkers 11 mit dem invertierender Eingang des zweiten Operationsverstärkers 12 übe ι eine Widerstand 15 verbunden. Der invertierende Eingang des ersten Operationsverstärkers 11 ist übet einen Widerstand 16 mit der Eingangsklemme 17 verbunden, an die das Ausgangssignal des Meßwandlers 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 des Hauptverstärkers 10.

Der Ausgang 20 des Hauptverstärkers 10 ist mit seinem Eingang 19 über eine Anzahl von parallelen Schaltungszweigen /I₁... A_n verbunden, von denen in Fig. 1 nur der erste Schaltungszweig A_x u..d dei letzte Schaltungszweig A_n dargestellt sind. Diese Schaltungszweige haben alle den gleichen Aufbau; es wird daher nur der Aufbau des Schaltungszweigs A₁ beschrieben. Dieser Schaltungszweig enthält ein nichtlineares Operationsverstärkerglied, bestehend aus einem Operationsverstärker 21 mit einer äußeren Beschallung, die dem Operationsverstärkerglied ein nichtlineares Verhalten erteilt. Zu dieser äußeren Beschaltung gehören zwei Dioden 22 und 23, von denen die Diode 22 den Ausgang des Operationsverstärkers 21 mit seinem invertierenden Eingang verbindet, während die Diode 23 in Serie mit dem Rückführungswiderstand 24 im Rückführungskreis liegt, der vom Ausgang des Operationsverstärkers zum invertierenden Eingang führt. Diese Schaltung sieiii einen sogenannten Präzisionsgleichrichter dar, der das Verhalten einer idealen Diode zeigt. Der nichtinvertie-

rcndc Eingang des Operationsverstärkers 21 liegt an Masse. Der invertierende Eingang ist einerseits über einen Widerstand 25 mit der Ausgangsklemme 20 des Hauptverstiirkers 10 verbunden, und andererseits über einen Widerstand 26 mit einem Sehaltungspunkt 27. der an einer negativen Referenzspannung — U_Rr/ , liegt. Die Widerstände 25 und 26 bilden somit einen Spannungsteiler, der zwischen dem Ausgang 20 des Haupiverstärkers 10 und dem an der negativen Referenzspannung liegenden Sehaltungspunkt 27 angeschlossen ist und dessen Abgriff mit dem invertierenden Gingang des Operaiionsverstarkers 21 verbunden ist.

Der Ausgang des nichtlinearcn Operationsverstärkerglieds. der durch den Vcrbindungspunkt zwischen dem Riiekfiihrungswiderstand 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 Schaltungszweigc sowie der Widerstand 16 zusam-"Kiigeführt sind, bildet somit einen Summierpunkt für die dem H".iptverstärker 10 zugeführten Ströme.

Mit diesem Summierpunkt 19 ist auch der Abgriff eines einstellbaren Spannungsteilers 29, der an einer (ileichspannung U_Ktl„ liegt, über einen weiteren Summierwiderstand 30 verbunden.

Die die nichtlinearen Operationsverstärkerglieder enthaltenden Schaltungszweige A₁... 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 gesciialtctcn Operationsverstärkern ändert sich das Signal am Ausgang 20 gleichsinnig mit dem dem Eingang 19 zugeführten Signal. Es wird angenommen, daß die Eingangsspannung U_r nur positive Werte annimmt, so daß auch die Ausgangsspannung U₁₁ stets positiv ist.

Die Wirkungsweise dieses nichtlincaren Glcichspannungsverstärkers soll anhand von Fig. 2 erläutert werden, welche die Verstärkerkennlinie, d.h. den Verlauf der Ausgangsspannung U_a als Funktion der Eingangsspannung U_r zeigt.

Die an die Klemmen 27 der verschiedenen Schaltungszweige /I₁... A_n angelegten Referenzspannungen ^URri ι ---Vr,), ^s'^{nd aIle} negativ, so daß die sich wie ideale Dioden verhaltenden nichtlinearen Operationsverstärkerglieder aller Schaltungszweige gesperrt sind, wenn die Ausgangsspannung U„ den Wert Null hat. Im Kennliniendiagramm von Fig. 2 ist angenommen, daß dies für den Wert Null der Eingangsspannung U_r der Fall ist.

Im Anfangszustand sind daher alle Schaltungszweige A_x... A_n unterbrochen und somit für die Funktion des Verstärkers unwirksam. Wenn die Eingangsspannung C/, vom Wert Null in positiver Richtung ansteigt, ändert sich die Ausgangsspannung U„ 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 U_a einen bestimmten Wert U_al erreicht, der von den Werten der Widerstände 25, 26 des Schaltungszweigs A_x und der an die Klemme 27 dieses Schaltungszweigs angelegten Referenzspannung — U_Rtf , abhängt, beginnt das nichtlineare Operationsverstärkerglied dieses Schaltungszweigs stromführend zu werden, so daß es über den Summierwiderstand 28 einen Strom in den Sum

mierpunkt 19 einzuspeisen beginnt. Dadurch ändert sich die Steigung der Verstärkcrkcnnlinie, so daß der weitere Anstieg der Ausgangsspannung U„ entsprechend dem Segment II der Verstärkerkennlinie erfolgt.

Wenn die Ausgangsspannung U_a einen Wert U_a2 erreicht, wird ein weiterer Schaltungszweig stromführend, und die Steigung der Verstärkerkennlinie entspricht nun dem Segment III von Fig. 2.

Auf diese Weise kann eine Verstärkerkennlinie mit η Knickpunkten erhalten werden, die den gewünschten Verlauf angenähert wiriWgibt. Die Knickpunkte sind durch die Bemessung der Widerstände 25, 26 und die Einstellung der Refcrenzspannungen U_Hrjl... U_Rrjn 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 dargcsteihcn Schaltung jeder beliebige Kenniinienveriaui 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 U_a abhängig sind, unabhängig von den Werten der Eingangsspannung £/.. bei denen diese Werte der Ausgangsspannung U_a erhalten werden.

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

Das Diagramm von F"ig. 7 zeigt die Eichkurve a eines Meßwandlers, also die Ausgangsspannung des Meßwandlers als Funktion der Meßgröße M. Diese Spannung bildet zugleich die Eingangsspannung U_t des nichtlinearcn Gleichspannungsvcrstärkers. Diese Eichkurve ist gekrümmt; die Spannung U_r steht also in keinem linearen Verhältnis zu der Meßgroße M. Damit eine in Abhängigkeit von der Meßgröße M lineare Spannung erhalten wird, muß der dem Meßwandler nachgeschaltetc Gleichspannungsverstärker eine Verstärkerkennlinie haben, wie sie bei c in 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 Verstärkerkennlinie der Schaltungsanordnung von Fig. 1 erhalten werden.

Es sei nun angenommen, daß der Verstärker an einen Meßwandler angeschlossen ist, der eine Eichkurve hat, die der Kurve b 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 U₀. Um diesen Offset-Faktor in der Ausgangsspannung U_a zu beseitigen, so daß diese für den Meßwert Null ebenfalls den Wert Null annimmt, muß die Verstärkerkennlinie von Fig. 8 parallel zu sich selbst verschoben werden, wie durch die Pfeile angedeutet ist.

Diese Parallelverschiebung kann bei der Schaltung von Fig. 1 einfach durch entsprechende Einstellung des Potentiometers 29 erfolgen, so daß dieses zum Summierpunkt 19 einen Offset-Strom liefert, der den Anfangspunkt der Kennlinie in den Punkt U_n ver-

schiebt. Infolge der zuvor geschilderten Tatsache, daß die Knickpunkte der Kennlinie nicht von den Werten der Eingangsspannung U_r, sondern von den Werten der Ausgangsspannung LZ₀ abhängen, behält die Kennlinie bei dieser Verschiebung ihre Form unver- ^r> ändert bei, so daß der lineare Zusammenhang zwischen der Ausgangsspannung U₁₁ und der Meßgröße erhalten bleibt.

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform des nichtlinearen Gleichspannungsverstärkers zur Erzie- i<> lung einer Verstärkerkennlinie mit zunehmender Steigung, wie sie in Fig. 4 gezeigt ist.

Die Ausbildung des Hauptverstärkers 10 mit den Operationsverstärkern II, 12 und den Widerständen 13, 14, 15, die Verbindung des Hauptverstärkers 10 r. 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 O₁... B_n, von denen nur der erste Schaltungszweig ß, und der letzte Schaltungszweig B_n dargestellt sind. y,

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 w Operationsverstärker eine Diode 32 nachgcschaltet, die in Reihe mit dem Rückführungswiderstand 33 in dem zum invertierenden Eingang des Verstärkers führenden Rückführungskreis liegt. Der Verbindungspunkt zwischen dem Rückführungswiderstand π 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 m 10 und einem an einer negativen Bezugsspannung — U_Rr/ liegenden Klemme 35 ist eine Spannungsteilerkette aus Widerständen R₁, R₂... R_n, R_n _M angeschlossen. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 31 ist mit dem ersten Abgriff P₁ π der Spannungsteilerkette verbunden. In gleicher Weise sind die nichtinvertierenden Eingänge der Operationsverstärker der übrigen Schaltungszweige ß,... B_n mit den aufeinanderfolgenden Abgriffen P,... P_n der Spannungsteilerkette verbunden. -,o

Die Wirkungsweise dieser Schaltung entspricht vollkommen der zuvor beschriebenen Wirkungsweise der Schaltung von Fig. 1, mit dem Unterschied, daß die Steigung der aufeinanderfolgenden Segmente I, 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 Empfindlichkeitsfaktors durch Einstellung der Verstärkung des Hauptverstärkers 10 zu berücksichtigen.

Fig. 5 zeigt einen nichtlinearen Gleichspannungsverstärker, bei dem die Schaltungen von Fig. 1 und Fig. 3 vereinigt sind, so daß es möglich 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 des Hauptverstärkers mit der Eingangsklemme 17 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 eine bekannte Maßnahme zur Verbesserung des Temperaturverhaltens der Operationsverstärker dar.

In diesem Fall sind zwei Gruppen von Schaltungszweigen C₁... C„ und P₁... P_n vorgesehen, von denen jeweils nur der erste Schaltungszweig C₁ b/w. I) _t dargestellt ist. Die Schaltungszweige C entsprechen dem Prinzip von Fig. 1 und ergeben somit eine Verstärkerkcnnlinie mit fallender Steigung, wenn sie uer Reihe nach ansprechen. Die Schaltungszweige P einsprechen dem Prinzip von Fig. 3 und ergeben eine Verstärkerkenniinie mit zunehmender Steigung, wenn sie der Reihe nach ansprechen. Wenn die Ausbildung so getroffen wird, daß zunächst alle Schaltungszweige C und dann alle Schaltungszweige P der Reihe nach ansprechen, erhält man eine Kennlinie der bei m in Fig. 6 dargestellten Art. deren Steigung zunächst abnimmt und dann nach Durchgang durch einen Wendepunkt wieder /unimmt. Wenn umgekehrt zunächst alle SehalUings/weige /) und dann alle Schaltungszweige C der Reihe nach ansprechen, hat die Verstärkerkennlinie etwa den bei η 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 V'erhalten der Schaltung verbessern und die Anwendungsmöglichkeiten der Schaltung erweitern.

Jeder Schaltungszweig C enthält, wie die Schaltungszweige A von Fig. 1. ein nichtlineares Operationsverstärkerglied, das als Präzisionsgleichrichter geschaltet ist und aus einem Operationsverstärker 41. Dioden 42 und 43 und einem den Ausgang mit dem invertierenden Eingang verbindenden Rü kführungswiderstand 44 besteht. Der invertierende Eigang ist ferner über einen Widerstand 45 mit dem Ausgang 20 des Hauptverstarkers 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 Operationsverstärkers 41 ist über einen das Temperaturverhalten verbessernden Widerstand 48 mit Masse verbunden. Für jeden der Schaltungszweige C₁... C_n ist natürlich ein eigenes Potentiometer 47 zur getrennten Einstellung der zugeordneten Referenzspannung vorgesehen.

Jeder der Schaltungszweige P enthält, wie jeder Schaltungszweig B von Fig. 3. ein nichtlineares Operationsverstärkerglied mit einem Operationsverstärker 51, einer Diode 52 und einem zum invertierenden Eingang führenden Rückführungswiderstand 53. Die nichtinvertierenden Eingänge der Operationsverstärker der Schaltungszweige D₁... D_n sind mit den Ab griffen P₁... P_n einer Spannungsteilerkette verbun den, die aus in Serie geschalteten Widerständen R₁, R₂... R_n _{+ 1} besteht und zwischen dem Ausgang20 des Hauptverstarkers 10 und einem an einer Bezugsspan nung liegenden Schaltungspunkt 55 angeschlossen ist.

Gegenüber den Schaltungen von Fig. 1 und 3 sind bei der kombinierten Schaltung von Fig. 5 noch fol-

gende zusätzliche Maßnahmen getroffen:

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

- In jedem Schaltungszweig sind mehrere Span- m nungsteiler mit angeschlossenem Summierwiderstand vorgesehen, und die .Suiiimici w iderstäiv.lc sind zu Gruppen /usaiiimcngcfaßt. die jeweils einen Summierwiderstand von mehreren verschiedenen Sehaltungszweigen enthalten: : , ferner sind elektronische Schalter vorgesehen. mit denen jeweils eine Gruppe von Siimmierwiderständen mit dem Summierpunkt am Eingang 19 des Hauptverstiirkers verbunden werden kann. Dadurch is! es möglich, den nichtiinearen ji Verstärker auf verschiedene vorprogrammierte Verstarker kenn I in ie n umzuschalten.

- In jedem Ausgangskreis jedes nichtlinearen Operationsverstiirkerglieds 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 de:. Verrundungs-Dioden _Vi verursachten Temperaturabhängigkeit.

- Parallel zu den nichtlinearen Sehaltungszweigen C₁... C_n. D₁... D_n liegt ein Schaltungszweig E mit einem linearen Operationsverstärkerglied zwischen dem Ausgang und dem Eingang des ₍-, Hauptverstiirkers. 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 nichtlinearen Operationsverstärkerglieds des Schaltungszweigs C₁ sind parallel mehrere einstellbare Potentiometer 60„... 60_t jeweils über eine Diode 6I₀ ...6I₁ angeschlossen. Die Dioden .,-6I₁,... 61_t 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 _w Abgriff jedes Potentiometers 6O₁₁... 6O₁ ist mit der einen Klemme eines zugeordneten Summierwiderstands 63_fl... 63_λ verbunden.

In gleicher Weise sind an den Ausgang des nichtlinearen Operationsverstärkerglieds des Schaltungszweiges D₁ parallel mehrere einstellbare Potentiometer 7O₀ ... 70_t jeweils über eine Verrundungs-Diode 71_O... 7I₁ angeschlossen. Die Temperaturkompensation erfolgt in diesem Fall durch eine Diode 72, die in Reihe mit dem Widerstand R₁ in der Spannungstei-Ierkette liegt. Der Abgriff jedes Potentiometers 70„... 70_t ist mit der einen Klemme eines zugeordneten Summierwiderstands 73_O... 73_k verbunden.

Der Schaltungszwcig E enthält einen linearen Operationsverstärker 81 mit einem Rückführungswiderstand 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 nichtinvertierenden Ausgang und Masse liegt ein Widerstand 84 zur Verbesserung des Terr.peraturvcrhaltens. An den Ausgang des Operationsverstärkers 81 sind parallel mehrere einstellbare Potentiometer 85,,... 85,. angeschlossen, deren Abgriffe jeweils mit einer Klemme eines zugeordneten Sumniicrwiderstands 86,.,. 86₍ verbunden sind.

Schließlich sind zur Offset-Kompcnsation mehrere Potentiometer 29,... 29₄ vorgesehen, deren Abgriffe jeweils mit einer Klemme eines zugeordneten Summierwiderstands 3O_n... 3O₁ verbunden sind.

Die Sumniierwiderstände 3O_n, 63,,, 73„, 86„ und die entsprechenden Sumniierwiderstände tier übrigen Schaiiungszweige C,... C_n. D₁... D_n sind zu einer Gruppe zusammengefaßt, und der Verbindungspunkt 9O₁, dieser Gruppe ist mit dem Drain-Anschluß eines Feldeffekttransistors 9I_n 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 - Ugelegt 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 3O₁. 63_t. 73_t. 86_t und den Feldeffekttransistor 9I₁ mit seinem Vorspannungswiderstand 92₄ gezeigt ist.

Die an die Gate-Anschlüsse angelegte negative Spannung hält die Feldeffekttransistoren 91,... 9I₄ 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 de> zugehörigen Potentiometer festgelegt ist. Durch Betätigung des Umschalters 93 kann der Verstärker auf verschiedene andere voreingestellte Verstärkerkennlinien umgeschaltet werden.

Mit Hilfe der Potentiometer 8S₀... 85₄ des Schaltungszweiges E kann für jede Verstärkerkennlinie die Verstärkung des Hauptverstärkers 10 eingestellt werden; bei der Umschaltung auf eine andere Verstärkerkennlinie wird diese Verstärkung automatisch mit umgeschaltet. Diese Art der Verstärkungseinstellung ergibt den Vorteil, daß sie die durch die Widerstände 37, 38, 48, 84 bewirkte Temperaturkompensation praktisch nicht beeinflußt.

In gleicher Weise kann auch der Strom zur Korrektur des Offset-Faktors für jede Verstärkerkennlinie mit Hilfe der Potentiometer 29„... 29_t getrennt eingestellt werden, und die Umschaltung der Offset-Kompensation erfolgt gleichfalls automatisch zusammen mit der Umschaltung der Verstärkerkennlinie.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

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

2. Nichtlinearer Gleichspannungsverstärker >o nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Haupiverstärker 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 invertierende Eingang des ersten Operationsverstärkers den Eingang des Hauptverstärkers bildet, daß der Ausgang des zweiten _m 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 _l() der invertierende Eingang des Operationsverstärkers angeschlossen ist, und daß die Spannungsteiler zueinander parallel zwischen dem Ausgang des Hauptverstärkers und Schaltungspunkten mit unterschiedlichen Referenzspannungen angeschlos- γ, sen 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 I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für wenigstens einen Teil der Operationsverstärkerglieder ein zwischen dem Ausgang des Hauptverstärkers und einem an der Referenzspannung liegenden Schaltungspunkt _b0 angeschlossenen Spannungsteiler mit mehreren gestaffelten Abgriffen Vorgesehen ist, und daß die nichtinvei tierenden 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 nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Verbindung zwischen dem Ausgang eines Operationsverstärkerglieds und den Eingang des Hauptverstärkers eine Halbleiterdiode liegt.

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

11. 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 A.usgang über einen Summierwiderstand mit dem Eingang des Hauptverstärkers verbunden ist.

12. Nichtlinearer Gleichspannungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang jedes Operationsverstärker^-lieds 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 Hauptverstärkers verbunden ist.

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

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

16. Nichtlinearer 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.