DE2621585B2

DE2621585B2 - Schaltungsanordnung

Info

Publication number: DE2621585B2
Application number: DE2621585A
Authority: DE
Inventors: Osamu Katsuta Igarashi; Nobuaki Hitachi Miyakawa
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1975-05-16
Filing date: 1976-05-14
Publication date: 1979-08-16
Also published as: US4068138A; DE2621585A1; GB1552462A; JPS51134049A; DE2621585C3

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Mit einer solchen Anordnung kann insbesondere ein Spannungssignal von einem Temperaturfühler, einem Lagedetektor, einem Geschwindigkeitsmesser od. dgl. wi in ein Ausgangssignal umgesetzt werden., dessen Absolutwert im wesentlichen proportional zur Differenz zwischen dem Eingangssignal und dem Bezugssignal ist.

In vielen Fällen ist eine solche Signalumsetzung b^r> erforderlich. Wenn beispielsweise ein ermitteltes Signal, das sowohl in den negativen als auch in den positiven Bereich übergehen kann, in digitaler Form angezeigt wird, ist es erforderlich, daß der Absolutwert des ermittelten Signals und das Vorzeichen des Absolutwertes vorliegen. Der Absolutwert in analoger Form wird in ein digitales Signal umgesetzt und das umgesetzte Signal, sowie das negative oder positive Vorzeichen werden mit jeweiligen Anzeigeeinrichtungen voneinander getrennt angezeigt

Signale dieser Art sind beispielsweise eine sich ändernde Temperatur, ein Lage-Feststellsignal, ein Geschwindigkeitsdifferenzsignal, das von einem vorgegebenen Bezugssignal bzw. Bezugswert abweicht, u. dgl.

Des einfacheren Verständnisses halber soll die Erfindung bzw. die der Erfindung zugrunde liegenden Probleme nachstehend anhand von Temperaturmessungc η beschrieben werden.

Bekannte Temperaturfühler weisen in Abhängigkeit von der zu messenden Temperatur entweder eine monoton, stetig ansteigende Kennlinie oder eine monoton, stetig abfallende Kennlinie der ermittelten Ausgangsspannung auf. Beispielsweise besitzt ein handelsüblicher, wärmccmpfindlichcr Widerstand eine ansteigende Kennlinie bzw. einen ansteigenden Kurvenverlauf und bekannte Thermistor-Elemente besitzen abnehmende Kennlinien.

Um den Absolutwert der gemessenen Temperatur zu erhalten, ist es daher erforderlich, einen Signalumsetzer zu verwenden, der im Bereich von negativen Temperaturen eine abfallende Kennlinie und im Bereich positiver Temperaturen bei einer Grenztemperatur von 0⁰C eine ansteigende Kennlinie bzw. einen ansteigenden Kurvenverlauf aufweist

Solche herkömmlichen Signalumsetzer besitzen zwei Verstärker. Einer der Verstärker weist die abfallende Kennlinie auf und wird für den Bereich negativer Temperaturen verwendet, und der andere Verstärker weist eine ansteigende Kennlinie auf und wird für den Bereich positiver Temperaturen verwendet Die beiden Verstärker werden bei einer Grenztemperatur von 0°C umgeschaltet bzw. das Signal wird bei der Grenztemperatur von O⁰C von einem Verstärker auf den anderen umgeschaltet. Ein solcher Signalumsetzer hat jedoch den Nachteil, daß zwei Verstärker erforderlich sind, so daß eine große Anzahl von Bauteilen erforderlich werden und der Umsetzer teuer wird.

Eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus der amerikanischen Patentschrift 38 82 327 bekannt. Bei dieser Schaltungsanordnung wird als Bezugssignal ein Spannungspegel von 0 Volt verwendet. Geschieht dies nicht, so arbeitet die bekannte Schaltungsanordnung nach einer Kennlinie, die für praktische Anwendungsiäiie weriios ist. Die bekannte Schaltungsanordnung ist somit auf den Fall beschränkt, daß das Eingangssignal mit dem Wert 0 verglichen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, die ein Absolutwert-Signal proportional zur Abweichung eines sich beliebig ändernden Eingangssignals von einem beliebig vorgebbaren Bezugssignal erzeugt. Eine derartige Funktion ist beispielsweise dann zweckmäßig, wenn Temperaturabweichungen von einer vorgegebenen Temperatur nach Betrag und Vorzeichen gemessen und angezeigt werden sollen, wie dies in den weiter unten beschriebenen Ausführungsbeispielen angenommen wird.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Danach wird das Bezugssignal nicht nur zur Bestimmung der Polarität des Steuersi-

gnals herangezogen, sondern außerdem zur Bildung des Ausgangssignals dem differenzbildenden Operationsverstärker zugeführt, wodurch der Uimschaltpunkt unabhängig von dem jeweils vorgegebenen Bezugssignal stets im Nullpunkt des Ausgangssignals gehalten wird. Die Schaltungsanordnung ist daher universeller verwendbar.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 eine Temperaturanzeige-Einrichtung, bei der eine erste Ausführungsform der Schaltungsanordnung verwendet wird,

Fig.2 eine typische Temperatur-Ausgangsspannungs-Kennlinie eines bekannten Detektors, der im Zusammenhang mit der in F i g. 1 dargestellten Temperaturanzeiger-Einrichtung verwendet wird,

Fig. 3 eine Umsetzer-Kennlinie der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung und

Fig.4 ein weheres Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung.

In F i g. 1 ist eine Detektorschaltung 1 dargestellt, die in Abhängigkeit von der zu messenden Temperatur ein Spannungssignal am Ausgang bereitstellt. In der Detektorschaltung ! liegt über dem Emitter und der Basis eines pnp-Transistors 14 eine konstante Vorspannung an. Die Vorspannung wird durch die Widerstände I! und 3 vorgegeben, die mit einer Gleichspannungsquelle 8 in Reihe geschaltet sind. Mit dem Bezugszeichen 12 ist ein Emitter-Widerstand versehen. Eine solche Schaltungsanordnung ist allgemein als Konstantstromquelle bekannt, so daß durch einen Fühler 15 immer ein konstanter Strom fließt Der Fühler 15, beispielsweise ein handelsüblicher, tempeniturempfindlicher Widerstand, ändert in Abhängigkeit der zu messenden Temperatur seinen Widerstandswert und am Fühler 15 tritt ein Spannungs-Ausgangssignal Vi 5 in Abhängigkeit von der Temperatur auf, wie dies in F i g. 2 dargestellt ist

Die Ausgangsspannung Vu wird einer Vergleichsstufe 2 zugeführt in der dieses Ausgangssignal Vis mit einer vorgegebenen Bezugsspannung V21 verglichen wird. Der Vergleicher 22 besitzt zwei Eingänge; ein Eingang ist mit dem Ausgang der Detektorschaltung 1 und der andere Eingang mit dem verschiebbaren Abgriff eines Potentiometers 21 verbunden, mit dem die Bezugsspannung V21 eingestellt wird. Arr Ausgang des Vergleichers 22 liegt ein Inverter 23.

Wenn die gemessene Ausgangsspannung Vu kleiner als die Bezugsspannung V_n ist, so tritt arn Ausgang des Vergleichers 22 ein binärer »!«-Pegel und am Ausgang des Inverters 23 ein binärer »O«-Pegel auf. Wenn die festgestellte Ausgangsspannung Vi5 dagegen größer als die Bezugsspannung V₂i ist, tritt am Ausgang des Vergleichers 22 ein Signal mit dem Binärwert »0« und am Ausgang des Inverters 23 ein Signal mit dem Binärwert »1« auf. Im vorliegenden Fall wird die vorgegebene Bezugsspannung V21 des Potentiometers 21 durch die Spannung V₀ festgelegt, die gleich der von der Detektorschaltung 1 erzeugten Spannung ist, wenn die zu ermittelnde Temperatur eine bestimmte Grenztemperatur ist. Die Grenztemperatur ist, wie in Fig. 2 dargestellt ist, beim vorliegenden Ausführungsbeispiel 0⁰C.

Eine Schalterstufe 3 wird vom Ausgangssignal der Vergleichsstufe 2 gesteuei,·. Wenn das Ausgangssignal des Vergleichers 22 einen binären »!«-Pegel und das Ausgangssignal des Inverters 23 einen binären »0«-Pegel aufweist, werden die elektronischen Schalter 31 und 32 der Schalterstufe 3 in den leitenden Zustand und die anderen elektronischen Schalter 33 und 34 beide in den nichtleitenden Zustand gebracht Die Ausgangsspannung Vis der Detektorschaltung 1 gelangt an einen Eingang 48 einer Operations-Verstärkerstufe 4. Einem weiteren Eingang 49 wird eine Spannung £2 einer veränderlichen Gleichspannungsquelle 9 zugeleitet

Wenn das Ausgangssignal des Vergleichers 22 einen binären »O«-Pegel und das Ausgangssignal des Inverters 23 einen binären »1«-Pegel aufweist werden die elektronischen Schalter 31 und 32 in den nichtleitenden und die anderen elektronischen Schalter 33 und 34 in den leitenden Zustand gebracht Die vorgegebene Bezugsspannung V21 liegt dann am Eingang 48 der Operationsverstärker-Stufe 4, und die Ausgangsspannung Vis der Detektorschaltung 1 liegt am anderen Eingang 49 an.

Gleichzeitig werden das Ausgangssi;.ial des Vergleichcrs 22 und das Ausgangssigna! des inverters 23 einer Zustands-Anzeigenstufe 5 zugeführt die für die gemessene Temperatur ein negatives oder positives Zeichen anzeigt Wenn das Ausgangssignal des Vergleichers 22 fiine binäre »1« ist, fließt ein Basisstrom durch einen Widerstand 51, so daß der Transistor 53 in den leitenden Zustand übergeht und der Kollektorstrom fließt durch einen Kollektorwiderstand 57 und eine Photodiode 55. Die Photodiode 55 sendst daher Licht aus und dient der Anzeige des Minus-Signals.

In entsprechender Weise leuchtet eine weitere Photodiode 56, die das Plus-Zeichen anzeigt, auf, wenn am Ausgang des Inverters 23 ein binäres »!«-Signal auftritt.

In der Operationsverstärker-Stufe 4 ist der Eingang 48 mit dem Minus-Eingang eines Operationsverstärkers 41 über einen Eingangswiderstand 42 verbunden. Zwischen dem Minus-Eingang und dem Ausgang des Operationsverstärkers 41 liegt ein Rückkoppel-Widerstand 43. Der Eingang 49 der Operationsverstärker-Stufe 4 ieht über die aus den Widerständen 44 und 45 gebildete Reihenschaltung mit Masse in Verbindung, wobei der Verbindungspunkt der Widerstände 44 und 45 mit dem Plus-Eingang des Operationsverstärkers 42 verbunden ist.

Wie bereits zuvor erwähnt, wird die Ausgangsspannung Vis der Detektorschaltung 1 an den Minus-Eingang des Operationsverstärkers 41 geleitet, wenn das Ausgangssignal des Vergleichers 22 einen »1«-Wert aufweist. Eine Spannung, die durch Spannungsteilung der von der veränderlichen Gleichspannungsqueiie 9 bereitgestellten Spannung E₂ durch die Widerstände 44 und 45 erhalten wird, wird dem Plus-Eingang des Operationsverstärkers 41 zugeleitet.

Es seien V_a„_w und ^u _m die Ausgangsspannur.g bzw. die Spannung am Minus-Eingang des Operationsverstärkers 41 und Λ42 bzw. ftn die Widerstandswerte der Widerstände 42 und 43. Dann gilt folgende Gleichung

^¹V^l"" - ^l""_R ¹' ■ ">

Aus Gleichung (1) ergibt sich, daß die Spannung V_1n, r> durch folgende Gleichung (2) ausgedrückt werden kann:

4. · K₁₁,,, i R₄ K₄, f K₄.,

Bezüglich des Plus-Eingangs des Operationsverstärkers 41 gilt dagegen die Gleichung (3):

«44

«44 ' «45

Dabei sind Rn bzw. /?₄s die Widerstandswerte der Widerstände 44 und 45 und V_1n die Spannung am Plus-Eingang des Operationsverstärkers 41.

Da die Spannungen am Minus- und am Plus-Eingang, also die Spannungen Km und V_1n einander nahezu gleich und auch gleich dem Masscpegel sind, weil der Operationsverstärker 41 einen extrem hohen Verstärkungsfaktor aufweist, ergibt sich aus den Gleichungen (2) und (3) folgende Gleichung (4):

K₁.

Ku

«44

Ku ■ K ι-

Wenn in Gleichung (4) R,_: = kV = R\ und /?4i = Rn = «2 gesetzt wird, so läßt sich die Ausgangsspannung K,_ust.durch folgende Gleichung (5) darstellen:

ι,, ι.

Die Ausgangsspannung V₁₁₁₁₁. weist daher einen Wert auf, der proportional der Differenz der Spannungen Ei und Ki ist und gibt die abfallende Kennlinie in Abhängigkeit vom Ansteigen der Ausgangsspannung Ki des Fühlers )5 wieder.

Wenn die Ausgangsspannung des Vergleichers 22 dagegen einen »O«-Wert aufweist, liegt am Minus-Eingang des Operationsverstärkers 41 die der Grenztemperatur entsprechende, vorgegebene Bezugsspannur.g Ki an. wogegen am Plus-Eingang die Ausgangsspannung V₁-) der Detektorschaltung 1 auftritt.

Durch Ersetzen der Werte E; und K-, durch Hje Werte Ki und K, erhält man in diesem Fall aus der Gleichung (5) für die Ausgangsspannung K,„_v des Operationsverstärkers 41 folgende Gleichung (6):

Ui

Unter diesen Voraussetzungen ist die Ausgangsspannung Ks der Detektorschaltung 1 immer größer als das dem Bezugswert entsprechende Spannungssignal K₁.

so daß die Gleichung (6) die ansteigende Kennlinie wiedergibt. Die veränderliche Gleichspannungsquelle 9 wird auf einen Wert eingestellt, so daß sie eine Spannung bereitstellt, die gleich der vorgegebenen Bezugsspannung Ki ist.

Auf diese Weise tritt am Ausgang der Operationsverstärker-Stufe 4 ein Ausgangssignal auf, das den in F i g. 3 dargestellten Verlauf aufweist.

Das Ausgangssignal der Operationsverstärker-Stufe 4 wird von einem Analog-Digital-Umsetzer 6 in ein digitales Signal umgesetzt und durch eine digitale Anzeige 7 angezeigt. Wie i'.us der vorangegangenen Beschreibung deutlich wird, ist es durch die Funktionsweise der Schaltungsanordnung möglich, mit nur einem Operationsverstärker auszukommen, und es ist daher auf diese Weise möglich, die Zahl der Baukomponenten und Schaltungsteile zu verringern und damit Kosten zu sparen.

Bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde der Fall beschrieben, bei dem der Verlauf des Aiiccrancrssicfnals H^r Onerationsvertärker-Stufe 4 von einer abfallenden Kennlinie in eine ansteigende Kennlinie übergeht. Lediglich durch Umkehren der Plus- und Minus-Eingänge des Vergleichers 22 läßt sich jedoch erreichen, daß das Ausgangssigna¹ von einer ansteigerden Kennlinie in eine abfallende Kennlinie übergeht

In F i g. 4 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt. Bei dieser Ausführungsform sind zusätzliche Widerstände 46 und 47 vorgesehen. Wenn sich die elektronischen Schalter 33 und 34 im leitenden Zustand befinden, tritt am Plus-Eingang des Operationsverstärkers 41 die durch die Widerstände 44 und 47 spannungsgeteilte Ausgangsspannung Ks und am Minus-Eingang die über den Widerstand 46 zugeleitete, vorgegebene Bezugsspannung Km auf. Außer den Bezugszeichen 46 und 47 entsprechen die Bezugszeichen der F i g. 2 den Bezugszeichen der F i g. !.

Wenn die Widerstandswerte der Widerstände 46 und 47 gleich sind und mit Ri bezeichnet werden, geht die Gleichung (6) in die Gleichung (7) über:

f., ι

Die vorliegende Erfindung kann außer zur Temperaturmessung auch zu Messungen anderer Größen herangezogen werden, da die Größen in Form einer Spannung gemessen werden.

Hierzu ." Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Umwandlung eines am Schaltungseingang anliegenden analogen Eingangssignals in ein analoges Ausgangssignal, dessen Größe dem Betrag des Unterschiedes zwischen dem Eingangssignal und einem Bezugssignal aus einer Bezugsquelle entspricht, mit

a) einer die Größe des Eingangssignals und des Bezugssignals vergleichenden Komparatorstufe zur Erzeugung eines Steuersignals einer vom Ergebnis des Vergleichs abhängigen Polarität,

b) einem Operationsverstärker und

c) einer ersten Schalteinrichtung zur Verbindung des Schaltungseingangs in Abhängigkeit von der Polarität des Steuersignals mit dem invertierenden bzw. dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers, g e k e π η ·■ ζ e i c hii stdurch

d) eine zweite Schalteinrichtung (32, 33) zur Verbindung der Bezugsquelle (9, 21) in Abhängigkeit von der Polarität des Steuersignals mit dem jeweils anderen Eingang (+ bzw. —) des Operationsverstärkers (41).

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schalteinrichtung einen ersten Transistorschalter (31), der über einen ersten Widerstand (42) an den invertierenden Eingang (—) des Operationsverstärkers (41) ange- jo schlossen ist, swie einen zweiten Transistorschalter (34) aufweist, der über einen zweiten Widerstand (47) mit dem nichtinvertierenden Eingang ( + ) des Operationsverstärkers (4i) verbunden ist, daß die zweite Schalteinrichtung einen ditten Transistorschalter (32), der über einen dritten Widerstand (45) an den nichtinvertierenden Eingang ( + ) des Operationsverstärkers (41) angeschlossen ist, sowie einen vierten Transistorschalter (33) aufweist, der über einen vierten Widerstand (46) mit dem invertierenden Eingang ( —) des Operationsverstärkers (41) verbunden ist, daß der erste und der dritte Widerstand (42 bzw. 45) einen ersten Widerstandswert (R 1) und der zweite und der vierte Widerstand (47 bzw. 46) einen zweiten Widerstandswert (R 3) vi besitzen.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite und der vierte Transistorschalter (34 bzw. 33) über einen im Ausgang der Komparatorstufe (2) liegenden Inver- w ter (23) angesteuert sind.