DE2811668C2

DE2811668C2 - Anpassungsschaltung für hochohmige Spannungsquellen

Info

Publication number: DE2811668C2
Application number: DE19782811668
Authority: DE
Inventors: Hans 8068 Pfaffenhofen Spies; Alfons 8898 Schrobenhausen Wöhrl
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Spies Hans 8068 Pfaffenhofen De Woehrl Alfons
Priority date: 1978-03-17
Filing date: 1978-03-17
Publication date: 1982-03-04
Also published as: DE2811668A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anpassungsschallung für hochohmige Spannungsquellen gemäß dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.

Unter hochohmigen Spannungsquellen sollen hier nur solche Verstanden Werden, die aufgrund "iner äußeren Einwirkung ein Signal abgeben, wie z, B, Piezokristall^ oder Piezokeramiken bzw, Kondensatormikrofone, So werden Piezokeramiken Z, B, in Automobilen als Aufprallsensoren für die Auslösung einer SicherheitS' einrichtung, ζ, B, eines Luftkissens oder eines Sicher» heitsgurtes verwendet, die ein niederfrequentes Spannungssignal erst bei Einwirkung eines Druckes, in diesem Fall bei einem Aufprall des Fahrzeuges auf ein Hindernis, abgeben.

Für derartige hochohmige Spannungsquellen sind aufwendige Anpassungsschaltungen notwendig, um das Ausgangssignal der Spannungsquelle möglichst unabhängig von kurz- und langzeitigen Störungen zu halten. Dies liegt insbesondere daran, daß die Stromstärke des

ίο Ausgangssignales derartiger Spannungsquellen im Bereich von Pikoamperes liegt und damit wegen der hohen Verstärkung der Operationsverstärker in die Größenordnung von Stör- und Streuströmen innerhalb der damit verbundenen Schaltungen fällt.

Das Ausgangssignal der Spannungsquelle wird insbesondere durch aktive Schaltungselemente, d. h. in diesem Falle Operationsverstärker beeinflußt Operationsverstärker weichen trotz gleicher Bauart in ihren Kenndaten voneinander ab, wobei sozusagen als Güte

in des Operationsverstärkers die Eingangsfehlspannung bzw. Offset-Spannung angesehen werden kann: diese Fehispannung gibt den Wert der an den Eingangen angelegten Spannung an, die ein Ausgangssignal NULL zur Folge hat; die Eingangsfehlspannungen unterschied-

ji licher Operationsverstärker schwanken typisch zwischen 0,5 und 5 Millivolt Diese Eingangsfehlspannung und die damit zusammenhängende Beeinflussung des Ausgangssignals der hochohmigen Spannungsquelle müssen durch aufwendige Anpassungsschaltungen ausin geglichen werden, die noch dazu an unterschiedliche, in ihren Kenndaten auseinanderfaltende Operationsverstärker angepaßt werden müssen. Das gleiche gilt für Eingangsstrom und Eingangsstromdifferenz von Operationsverstärkern.

Γ) Zudem muß bedacht werden, daß Operationsverstärker während ihrer gesamten Betriebsdauer in ihrer Güte nicht konstant bleiben, sondern einem natürlichen Alterungsprozeß unterliegen, durch den sich im Laufe der Zeit die Eingangsspannung und andere das

■to Ausgangssignal der hochohmigen 'Spannungsquelle beeinflussende Kenndaten ändern. Diese Änderung liegt ebenfalls in einer Größenordnung, die die Güte des Ausgangssignales der hochohmigen Spannungsquelle erheblich beeinträchtigt.

Der Erfindung lieg; die Aufgabe zugrunde, eine Anpassungsschaltung für hochohmige Spannungsquellen anzugeben, mit der auf einfache Weise die auf lange Sicht erheblichen Störeinflüsse. insbesondere durch Alterung und Temperatur, zu kompensieren sind.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des ersten Patentanspruches angegebenen Merkmale gelöst.

Gemäß der Erfindung wird demnach das Ausgangssignal der Anpassungsschaltunf,. das gleichzeitig das Ausgangssignal des Operationsverstärkers ist. über einen Integrator auf das Be/ugspolential der hochohmigen Spünnungsquellc rückgefiihrt. Die Zeitkonstante des Integrators und damit desser Grenzfrequen/ ist so festgelegt, daß nur der Teil do Ausgangssignale am Operationsverstärker vom Integrator berücksichtigt wird, dur auf die langfristigen Störeinflüssu, d, h. ,auf die Drift der Eingangsfehlspannung bzw, auf Eiihflüsse durch Alterung öder Temperatür zurückzuführen ist, während die talsächlichen Ausgangssignale der hochohmigen Spannungsquelle, die nach Verstärkung ebenfalls am Ausgang des Operationsverstärkers anliegen, nicht vom Integrator berücksichtigt werden. Durch die Anhebung des Bezugspotentials der hochohmigen

Signalquelle entsprechend dem Integral der verstärkten Eingangsfehlspannung wird die Verstimmung der gesamten Schaltung kompensiert, die durch die sich im Lauf der Zeit ausbildende Drift der Eingangsfehlspannung verursacht wird.

Aus der Broschüre der Fa. National »Linear applications«, 2. Auri. vom August 1973, Seite AN 24-2, Figur 1 und zugehöriger Text, ist eine Schaltung zum Testen von elektronischen Funktionsbausteinen bekannt, wobei der Ausgang des zu testenden Bausteines über einen Integrator auf den Eingang rückgekoppelt ist. Der Ausgang des Integrators dient gleichzeitig als Ausgang der Testschaltung. Die Integrations-Rückkopplungsschleife hat einen Verstärkungsfaktor von Eins, ist demnach für die Signale des zu testenden Funktionsbausteines-durchlässig. Gleichzeitig ist jedoch die Zeitkonstante des Integrators so bemessen, daß Rauschen möglichst unterdrückt und die darauf beruhende Ausgangsspannung auf Null Volt gehalten wird.

Die bekannte Schaltung, bei der der Eingang des Funktionsbausteines zudem mit einem Dreieck-Generator beaufschlagt wird, dient zur Ansteuerung ei.ies Oszillographen und ist in dieser Form nicht im Sinne der Erfindung zu verwenden.

Die Erfindung ist in zwei Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert; hierin stellt dar:

Fig. 1 ein Schaltbild einer Anpassungsschaltung gemäß der Erfindung für eine hochohmige Piezokeramik;

F i g. 2 ein Schaltbild eines zweiten Ausbildungsbeispieles der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine Piezokeramik P, die hier als hochohmige Spannungsquelle dient, mit ihrer einen Elektrode an einem Punkt eines als Bezügspotential dienenden Grundpotenlials Uc verbunden, während die andere Elektrode an den positiven Eingang eines Operationsverstärkers Vi gelegt ist. Die beiden Elektroden der Piezokeramik sind mit einem Widersland R I von hohem Widerstandswert überbrückt, um Ausgangssignalc abzubauen, die auf die Pyroelektrizität, d. h. auf Temperaturschwankungen der Piezokeramik zurückzuführen sind.

Der zweite invertierende Eingang des Operationsverstärkers VX ist über einen Widerstand R 2 mit einer Referenzspannungsquelle Ur verbunden. Der Ausgang A des Operationsverstärkers V 1, c'-jr gleichzeitig der Ausgang der gesamten Anpassungsschaltung ist. ist über einen Widerstand R 3 auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers V 1 rückgeführt, so daß die Verstärkung des Operationsverstärkers durch den Ausdruck(7? 3/R 2 + 1) bestimmt ist.

Die Piezokeramik dien' z. B. als Beschleunigungsbzw. Aufprallsensor einer Ausloseschaltung für eine Sicherheitseinrichtung in Automobilen. z. B. ein Luftkissen oder einen Sicherheitsgurt, so daß hier lediglich Ausgangssignale zu berücksichtigen sind, die entsprechend den Drücken auf die Piezokeramik bei einem Aufprall des Fahrzeugs auf ein Hindernis nieder- und hochfrequente Schwingungen sind.

Das Grundpotential Ug der Piezokeramik wird über einen Integrator / abgeleitet, der hier aus einem Operationsverstärker V2, einem Widerstand R Λ und einem Kondensator Cl besteht. Der eine Eingang des Operationsverstärkers V2 ist mit der Referenzspannungsquelle Ur verbunden,, während der anJcre, ίο invertierende Eingang des Operationsverstärkers mit dem Ausgang A des anderen Operationsverstärkers VX über den Widerstand R 4 verbunden ist. Dieser Eingang ist mit dem Ausgang des Operationsverstärkers über den Kondensator Cl verbunden. Der Ausgang des Verstärkers V2 ist mit dem Punkt des Grundpotentials Uc verbunden.

Die Zeitkonstante des Operationsverstärkers V 2, die durch die Werte von R 4 und Ci bestimmt ist, ist so gewählt, daß lediglich sehr langsame Änderungen der Eingangsspannung am Operationsverstärker Vl vom Integrator / bearbeitet werden, di etwa auf der über lange Zeit wirkenden Drift der Eingar gstehispaniung des Operationsverstärkers V 1 beruhen. Lediglich aiese Ausgangssignale des Operationsverstärkers V1 werden von dem Integrator / berücksichtigt und dienen dazu, das Gründpotential der Piezokeramik anzuheben und die genannte Drift zu kompensieren; die hoch- und niederfrequenten Ausgangssignale der Piezokeramik werden — ausgehend von dem von langfristigen Störeinflüssen bereinigten Bezugspoteniial — durch den Operationsverstärker V1 verstärkt und können am Ausgang A abgenommen werden; sie sind daher frei von überlagerten Langzeitstörsingalen.

Das Ausfuhrungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist im

ji wesentlichen gleich dem in der Fig. 1 dargestellten, so daß auf die obige Beschreibung verwiesen werden kann.

Die Piezokeramik ist mit einer Elektrode an Masse und mit der zweiten Elektrode an den positiven Eingang des Operationsverstärkers VX geschaltet. Der Ausgang des Integrators / ist über den Widerstand Rl' mit der Elektrode der Piezokeramik und dem positiven Eingang des Operationsverstärkers Vi verbunden. Als Sezugspotentiai Ud für die Piezokeramik dient hierbei ebenfalls das Potential am Ausgang des Integrators.

Die Schaltung hat den Vorteil, daß durch die einseitige Schaltung die Piezokeramik an Masse die Montage und Abschirmung einfacher ist.

Die Wirkungsweise dieser Anpassungsschaltung ist

identisch der zum obigen Ausführungsbeispiel beschriebenen: auch hier wird das Bezugspotential der hochohmigen Spnnnungsquelle korrigiert um die Anteile, die auf langfristigen Störeinflüssen bestehen.

Die angegebenen Anpassungsschallungen haben rine.i sehr einfachen Schaltungsaufbau und können mit handelsüblichen Bauelementen einfach hergestellt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anpassungsschaltung für hochohmige, über einen Operationsverstärker verstärkte Spannungsquellen, wie Piezokristall, Piezokeramiken, Kondensatormikrofone oder dgU zum Halten der verstärkten Ausgangsspannung der Spannungsquelle auf einem von äußeren Störungen unabhängigen Wert, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (A) des Operationsverstärkers (Kl) über einen Integrator (I; V2, R4, Cl) mit einem Bezugspotentialpunkt (Ug) für die Spannungsquelle (/V vor dem Operationsverstärker verbunden ist, und daß die Zeitkonstante (R 4 und Cl) des Integrators wesentlich größer als die mittlere Anstiegszeit der Ausgangssignale der hochohmigen Spannungsquelle ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator (I) einen Operationsverstärker (V2\ einen Widerstand (R 4) und einen Kondensater (Cl) aufweist, daß der Verstärker (K2) mit einem Eingang an eine Referenzspannungsquelle (Ur) und mit dem anderen Eingang einerseits über den Widerstand (R 4) mit dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers (Vi) und andererseits über den Kondensator (C 1) mit seinem Ausgang und mit dem Bezugcpotentialpunkt (Uc) der hochohmigen Spannungsquelle (P) verbunden ist.

? Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannungsquelle (Ur) für beide Operat.^nsverstärker (Vi, V2) die Referenzspannung liefert.

4. Schlatung nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die -:ine Elektrode der hochohmigen Spannungsquelle (P) mit dem positiven Eingang des ersten Operationsverstärkers (V 1) und der Widerstand (R 4) des Integrators (I) mit dem negativen bzw. invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (V2) des Integrators verbunden sind.

5. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektroden der hochohmigen Spannungsquelle (P) durch einen hochohmigen Widerstand (R 1) überbrückt sind, und daß der Ausgang des Integrators (I) mit der dem Operationsverstärker (Kl) abgewandten Elektrode der Spannungsquelle verbunden ist.

6. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrode der hochohmigen Spannungsquelle (/Van Masse liegt, und daß der Ausgang des Integrators (I) über einen Widerstand (RV) mit der anderen Elektrode der Spannungsquelle verbunden ist.