DE2847227A1

DE2847227A1 - Precision induct voltage divider - has amplifier driving prim. coil with feedback circuit contg. coil and RC element

Info

Publication number: DE2847227A1
Application number: DE19782847227
Authority: DE
Inventors: Manfred Ing Grad Kreuzer
Original assignee: Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH
Current assignee: Hottinger Bruel and Kjaer GmbH
Priority date: 1978-10-30
Filing date: 1978-10-30
Publication date: 1980-05-08

Abstract

An inductive voltage divider for voltages referenced to earth has one or more primary coils and a feedback coil with the same number of windings. It is highly accurate, economical to produce, and of small dimensions suitable for microelectronic applications. The input voltage drives the non-inverting input of an amplifier driving one end of the primary winding, the other end is earthed. The feedback winding is connected between earth and, via an RC circuit, to the inverting amplifier input. For earth-referenced or non-referenced voltages the input drives non-inverting inputs of two amplifiers(V1, V2) each driving one end of the primary(W1). The primary and secondary(W2) have connected centre tappings(M1, M2) and each end of the secondary is connected via RC elements(R, C) to the corresponding amplifier inverting input.

Description

Induktiver SpannungsteilerInductive voltage divider

Die Erfindung betrifft einen induktiven Teiler nach dem Gattungsbegriff-des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 2.The invention relates to an inductive divider according to the generic term Claim 1 or claim 2.

In der Meßtechnik werden häufig sehr genaue Spannungsteiler benötigt, z.B. als Referenzsignalgeber in der Dehnungsmeßtechnik oder für Teilernetzwerke zur Digitalisierung von MeB-signalen. Für Anwendungen einfacher und mittlerer Genauigkeit genügen Teiler aus ohmschen Widerständen. Soll der Stabilitätsfehler der Teilung jedoch < 1 10 5 sein, so läßt sich dies im industriellen Einsatzbereich nur mit induktiven Teilern erzielen, da deren Teilungsverhältnisse in erster Näherung nur durch die Windungsverhältnisse bestimmt sind, die sich nicht ändern. Die drei wichtigsten Ursachen der dennoch vorhandenen Restfehler bei induktiven Teilern liegen in der ungenügenden Kopplung, wenn mehrere Wicklungen verwendet werden, in Spannungsverlusten am Kupferwiderstand der Primärwicklung infolge des Kernmagnetisierungsstromes und in Spannungsverlusten in den Zuleitungen infolge ungenügend haher Eingangswiderstände. Die Fehler durch ungenügende Kopplung können mit Hilfe verdrillter Mehrfachdrähte sehr leicht auf vernachlässigbar kleine Werte reduziert werden. Um die Fehler durch Spannungsverluste möglichst weit zu reduzieren, werden zum Aufbau der induktiven Teiler meist große hochpermeabIe Kerne (Schnittbandkerne) verwendet. Eine weitere Verbesserung versucht man durch den Einsatz sogenannter Zweikerntransformatoren £val. PTB-Mitteilungen 85, 196 bis 201 und 357 bis 352) zu erzielen.In measurement technology, very precise voltage dividers are often required, e.g. as a reference signal generator in strain measurement technology or for divider networks for digitizing MeB signals. For simple and medium accuracy applications dividers from ohmic resistances are sufficient. Should be the stability error of the division but <1 10 5, this can only be done in industrial applications with Achieve inductive dividers, as their division ratios are only in a first approximation are determined by the winding ratios, which do not change. The three most important The causes of the residual errors that still exist in inductive dividers lie in the Insufficient coupling when multiple windings are used, resulting in voltage losses on the copper resistance of the primary winding as a result of the nuclear magnetization current and in voltage losses in the supply lines due to insufficiently high input resistances. The errors due to insufficient coupling can be remedied with the help of twisted multiple wires can very easily be reduced to negligibly small values. To get through the bugs Reducing voltage losses as much as possible is what builds up the inductive Dividers mostly large, highly permeable cores (cut cores) are used. Another One tries to improve by using so-called two-core transformers £ val. PTB communications 85, 196 to 201 and 357 to 352).

Nachteilig an den beiden zuvor genannten Methoden sind der hohe technische und finanzielle Aufwand und die großen nicht zur Mikroelektronik passenden Bauvolumen der Teiler, wobei bei der Zweikernmethode zwar etwas kleinere, dafür aber zwei Kerne benötigt werden.The disadvantage of the two methods mentioned above is that they are highly technical and financial outlay and the large construction volumes that do not match microelectronics the divider, with the two-core method being somewhat smaller, but two cores are needed.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen induktiven Teiler hoher Genauigkeit unter Vermeidung der zuvor genannten Nachteile, d.h. insbesondere geringem technischem Aufwand und geringem Bauvolumen, vorzuschlagen.The object of the present invention is therefore to provide an inductive High accuracy dividers avoiding the aforementioned Disadvantage, i.e. in particular low technical effort and low construction volume, to propose.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 2 gelöst.This object is achieved according to the invention with the features of the characterizing Part of claim 1 or claim 2 solved.

Die erfindungsgemäße Lösung erlaubt die Verwendung kleiner Ferritkernei die erfundene Schaltung hat einen sehr großen Eingangswiderstand; aufgrund des erfindungsgemäßen Schaltungsprinzips lassen sich sowohl massebezogene als auch massefreie Signale verarbeiten; die Ausgangssignale können nach der erfindungsgemäßen Schaltung sowohl galvanisch vom Eingang getrennt (Fig. 1) als auch galvanisch mit dem Eingang verbunden (Fig. 2) sein.The solution according to the invention allows the use of small ferrite cores the invented circuit has a very large input resistance; due to the invention Circuit principle, both ground-related and ground-free signals can be used to process; the output signals can according to the circuit according to the invention both galvanically separated from the input (Fig. 1) as well as galvanically connected to the input (Fig. 2).

Die Ansprüche 3 bis 5 betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen des in den Ansprüchen 1 und 2 niedergelegten Erfindungsgedankens, die zu einer weiteren Erhöhung der Genauigkeit bzw.Claims 3 to 5 relate to advantageous embodiments of the in the invention laid down in claims 1 and 2, leading to a further Increase in accuracy or

Anpassungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Schaltung führen.Lead adaptability of the circuit according to the invention.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Zeichnung. Dabei bilden alle dargestellten und/oder beschriebenen Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung.Other features, advantages and uses of the present Invention emerge from the following description of exemplary embodiments based on the accompanying drawing. All of the illustrated and / or described form Features for themselves or in any meaningful combination the subject of the present Invention.

Es zeigen: Fig. 1 einen die Erfindung aufweisenden Spannungsteiler für massefreie oder massebezogene Spannungen, und Fig. 2 einen die Erfindung aufweisenden vereinfachten Spannungsteiler für massebezogene Spannungen.1 shows a voltage divider incorporating the invention for floating or floating voltages, and FIG. 2 shows one showing the invention simplified voltage divider for voltages referenced to ground.

Nach Fig. 1 ist die Eingangsspannung Ue zwischen die nichtinvertirenden Eingänge von Verstärkern V1 und V2 (vorzugsweise Operationsverstärker mit FET-Eingangsstufe) gelegt. Die Ausgänge der Verstärker V1 und V2 sind je mit einem Ende einer Primärwicklung W1 verbunden. Der Mittelabgriff M1 der Primärwicklung W1 ist mit dem Mittelabgriff M2 einer Rückkopplungswicklung W2, welche die gleiche Windungszahl wie die Primärwicklung WI besitzt, verbunden. Die Enden der Rückkopplungswicklung W2 sind je über eine Koppelkapazität C mit den jeweiligen invertierenden Eingängen der Verstärker VT und V2 verbunden. Die Verbindungsleitungen zwischen der jeweiligen Koppel kapazität C und dem jeweiligen invertierenden Eingang der Verstärker V1 und V2 und die Verbindungsleitungen der jeweiligen Ausgänge der Verstärker V1 und V2 mit den jeweiligen Enden der Primärwicklung W1 sind mit einem Widerstand R überbrückt. Die so geschaffenen RC-Glieder dienen zur Stabilisierung der Arbeitspunkte der Verstärker V1 und V2 und bewirken eine Gleichspannungsgegekopplung von K = 1. Die Ausgangsoffsetspannungen der Verstärker V1 und V2 bleiben somit vernachlässigbar klein. Es besteht keine Gefahr, daß die Permeabilität des Kernes durch eine zu hohe Gleichstromvormagnetisierung unzulässig verringert wird. Die Werte für die Koppelkapazitäten C und die Widerstände R sind so gewählt, daß die Grenzfrequenz der RC-Glieder um mehrere Größenordnungen niedriger als die Arbeitsfrequenz des Spannungsteilers ist. Die Spannungen U13 und U23 an den Enden der Rückkopplungswicklung W2 werden dann praktisch unverändert an die jeweiligen invertierenden Eingänge der Verstärker V1 und V2 gekoppelt. Bei Näherung an ideale Verstärker (v =00 ) gilt U11 = U14 und U21 = U24, d.h. die den beiden Eingängen der Verstärker V1 bzw. V2 zugeführten Spannungen sind im wesentlichen gleich, da die Ausgangsspannungen U12 und U22 der Verstärker V1 bzw. V2 solange nachgesteuert werden, bis die Differenzspannungen an den Eingängen zu Null werden. Da infolge der sehr niederfrequenten Kopplung der RC-Glieder U13 = U14 und U23 - U24, d.h. die Spannungen an den beiden Enden der Rückkopplungswicklung W2 im wesentlichen gleich den jeweiligen Spannungen am invertierenden Eingang der Verstärker V1 bzw. V2 sind, ergibt sich, daß an der Rückkopplungswicklung W2 genau die Eingangsspannung U e anliegt.According to Fig. 1, the input voltage Ue is between the non-inverting Inputs from amplifiers V1 and V2 (preferably operational amplifiers with FET input stage) placed. The exits the amplifiers V1 and V2 are each with one Connected to the end of a primary winding W1. The center tap M1 of the primary winding W1 is connected to the center tap M2 of a feedback winding W2, which is the same Number of turns as the primary winding WI has, connected. The ends of the feedback winding W2 are each connected to the respective inverting inputs via a coupling capacitance C the amplifiers VT and V2 are connected. The connecting lines between the respective Coupling capacitance C and the respective inverting input of the amplifier V1 and V2 and the connecting lines of the respective outputs of the amplifiers V1 and V2 with the respective ends of the primary winding W1 are bridged with a resistor R. The RC elements created in this way serve to stabilize the operating points of the amplifiers V1 and V2 and cause a DC voltage feedback of K = 1. The output offset voltages the amplifiers V1 and V2 thus remain negligibly small. There is none There is a risk that the permeability of the core will be reduced by too high a direct current bias is reduced impermissibly. The values for the coupling capacitances C and the resistances R are chosen so that the cutoff frequency of the RC elements by several orders of magnitude is lower than the operating frequency of the voltage divider. The voltages U13 and U23 at the ends of the feedback winding W2 are then practically unchanged coupled to the respective inverting inputs of amplifiers V1 and V2. at As an approximation to ideal amplifiers (v = 00), U11 = U14 and U21 = U24, i.e. the den The voltages fed to both inputs of the amplifier V1 and V2 are essentially the same, since the output voltages U12 and U22 of the amplifiers V1 and V2 as long as readjusted until the differential voltages at the inputs become zero. As a result of the very low-frequency coupling of the RC elements U13 = U14 and U23 - U24, i.e. the voltages at the two ends of the feedback winding W2 essentially equal to the respective voltages at the inverting input of the amplifier V1 resp. V2, it follows that exactly the input voltage at the feedback winding W2 U e is applied.

An einer zugeordneten Sekundärwicklung W3 stehen damit genau die den Windungsverhältnissen entsprechende Spannugen an. Die Spannungsabfälle des Magnetisierungsstromes an dem Kupferwiderstand der Primärwicklung W1 werden von den Verstärkern V1 und V2 ausgeregelt. Die Ausgangsspannungen U12 und U22 der Verstärker V1 bzw. V2 sind um diese Spannungsabfälle 4 U1 und d U2 höher als die Eingangsspannung Ue. Die Verstärker V1 und V2 können in ihrem Verhalten idealen Verstärkern angenähert werden, wenn ihre Betriebsspannungen sich wie ihre Eingangsspannungen ändern. Diesem Zweck dienen ergänzende elektronische Schaltungen, die je einen Impedanzwandler I1 bzw. I2 und je zwei Regler R+ und R- aufweisen. Bezogen auf ihre Betriebsspannungen werden die Eingangsgleichtaktspannungen dann zu Null und die Ausgänge müssen nur die kleinen Spannungshübe 4 U1 bzw. d U2 aussteuern.This means that exactly those are on an assigned secondary winding W3 Tension corresponding to the winding ratios. The voltage drops of the magnetizing current at the copper resistance of the primary winding W1 are used by the amplifiers V1 and V2 adjusted. The output voltages U12 and U22 of the amplifiers V1 and V2 these voltage drops are 4 U1 and d U2 higher than the input voltage Ue. The behavior of the amplifiers V1 and V2 can approximate ideal amplifiers when their operating voltages change like their input voltages. This one The purpose is supplementary electronic circuits, each with an impedance converter I1 or I2 and each have two controllers R + and R-. Based on their operating voltages the input common mode voltages are then zero and the outputs only have to control the small voltage swings 4 U1 or d U2.

In Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel des induktiven Spannungsteilers nach der Erfindung veranschaulicht, der für massebezogene Signalspannungen bestimmt ist. Die Schaltung kann in diesem Falle dadurch vereinfacht werden, daß der VerstärkerV2 mit den zugeordneten Schaltungselementen sowie die Mittelabgriffe M1 und M2 der Wicklungen W1 und W2 entfallen. Die Eingangsspannung liegt zwischen dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers V1 und Masse. Je ein Ende der Primärwicklung W1 und der Rückkopplungswicklung W2 liegen ebenfalls an Masse. Figur 2 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei welcher sowohl die Schaltung zur Mitführung der Betriebsspannung mit der Eingangsspannung des Verstärkers V1 als auch eine besondere Sekundärwicklung-W3 weggelassen ist.In Figure 2 is an embodiment of the inductive voltage divider illustrated according to the invention, which is intended for signal voltages referenced to ground is. The circuit can in this case be simplified in that the amplifier V2 with the associated circuit elements and the center taps M1 and M2 of the Windings W1 and W2 are omitted. The input voltage is between the non-inverting Input of amplifier V1 and ground. One end each of the primary winding W1 and the Feedback winding W2 are also grounded. Figure 2 illustrates one Embodiment in which both the circuit for carrying the operating voltage with the input voltage of the amplifier V1 as well as a special secondary winding-W3 is omitted.

Werden Spannungen benötigt, die größer als die Eingangsspannung U e sind, so kann die Sekundärwicklung W3 mit entsprechend höherer Windungszahl ausgeführt werden, oder die Rückkopplungswicklung W2 wird mit einer größeren Windungszahl als W1 ausgeführt und mit einem Abgriff bei W1-Windungen versehen, der über C mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers verbunden wird.If voltages are required that are greater than the input voltage U e, the secondary winding W3 can be designed with a correspondingly higher number of turns or the feedback winding W2 will have a larger number of turns than W1 executed and provided with a tap at W1 turns, which is connected to the inverting input of the amplifier is connected.

Claims

Inductive voltage divider Claims: 9 Inductive divider for ground-related voltages with at least one primary winding and one feedback winding same number of turns, characterized in that the input voltage is applied to the non-inverting Input (Vi) of an amplifier y, the output of which is connected to one end of the primary winding (W1) is connected that the other end of the primary winding (W1) and one End of the feedback winding (W2) is connected to ground and that the other - end the feedback winding (W2) via an RC element to the inverting input of the amplifier (V1) is fed back.

2. Inductive divider for single or floating voltages with at least one primary winding and one feedback winding with the same number of turns, characterized in that the input voltage is between the non-inverting Inputs of two amplifiers (V1, V2) is placed, the outputs of which are each at one end of the Primary winding (W1) are connected that the center taps (M1, M2) of the primary winding (W1) and the feedback winding (W2) are connected to one another and that the two Ends of the feedback winding (W2) each via RC elements to one inverted each Input of the amplifier (V1, V2) are fed back.

3. Inductive divider according to claim 1 or 2, characterized in that that the feedback winding CW2) has voltage taps.

4. Inductive divider according to one of claims 1 to 3, characterized by one or more secondary windings CW3)

5. Inductive divider according to claim 1 or 2, characterized in that the operating voltage of the amplifier or amplifiers (V1, V2) can be carried electronically with their respective input voltages.