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Abgleichverfahren für elektronische Schalter
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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der PrUftechnik für elektronische
Bauelemente oder Baugruppen und ist beim Offset-Abgleich von elektronischen Schaltern,
insbesondere von Komparatoren und Schmitt-Triggern, anzuwenden.
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Elektronische Schalter, wie Komparatoren und Schmitt-Trigger, sind
tibersteuerbare, also nichtlineare Verstärker, die eine analoge Eingangsspannung
mit einer Referenzspannung vergleichen und daraus eine digitale Ausgangsgröße, entweder
"O" oder "1", erzeugen. Derartige Elemente schalten unter Umständen auch um, wenn
die pifferenzeingangsspannung nicht exakt Null ist. Diese mit "Offset" bezeichnete
Fehlereigenschaft macht einen sogenannten Offset-Abgleich erforderlich, bei dem
der Offset durch Veränderung des elektrischen Wertes eines Abgleichelementes (z.
B. eines Widerstandes) auf Null reduziert wird. Ein solcher Offset-Abgleich ist
insbesondere dann geboten, wenn elektronische Schaltelemente, die an sich einen
niedrigen Offset aufweisen, mit Vorverstärkern ausgerUstet werden. Hierzu sind Abgleichverfahren
üblich, bei denen an den Arbeitseingang des Schalters eine einstellbare Gleichspannung
angelegt und am Ausgang des Schalters das Umkippen in die Schaltstellungen "O" und
1 beobachtet wird. Der Abgleich erfolgt dabei schrittweise (iterativ) durch Mittelwertbildung.
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Aus GrUnden der Störsicherheit sind elektronische Schalter häufig
mit einer Hysterese ausgestattet, die die Schaltschwelle für ansteigende Signale
zu höheren Werten und für abfallende Signale zu niedrigeren Werten verschiebt. Diese
Hysterese gestaltet den üblichen Offset
Abgleich schwierig. Verwendet
man nämlich den Wechsel des Ausgangssignals von "0' auf 1 als Abgleichkriterium,
so muß man bei einer Referenzspannung von 0 V die Eingangsspannung auf den halben
Wert der Hysteresespannung anheben und das Abgleichelement bis zum Umschalten der
Ausgangsspannung verstellen. Nun ist in vielen Fällen die Hysterese selbst keine
feste Größe, sondern unterliegt Streuungen infolge von Toleranzen der Bauelemente.
Hinzu kommt, daß überlagerte Störspitzen an den Eingängen den Schalter bereits unterhalb
der Schaltschwelle ansprechen lassen und dadurch die Größe der Hysterese scheinbar
reduzieren.
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Ausgehend von einem Verfahren zum Offset-Abgleich von elektronischen
Schaltern, insbesondere von Komparatoren und Schmitt-Triggern, bei dem an den Arbeitseingang
des Schalters eine veränderbare Spannung angelegt und am Ausgang des Schalters in
Abhängigkeit von der elektrischen Größe eines Abgleichelementes die symmetrische
Lage der beiden Schaltschwellen ermittelt und eingestellt wird, liegt der Erfindung
daher die Aufgabe zugrunde, zum Offset-Abgleich von mit einer Hysterese versehenen
elektronischen Schaltern ein Verfahren zu schaffen, mit dem der Abgleich schnell
und sicher ausgeführt werden kann0 Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß
vorgesehen, daß bei geerdetem Referenzeingang als veränderbare Eingangsspannung'
eine periodisch-symmetrische Wechselspannung verwendet und am Ausgang des Schalters
das Tastverhältnis der resultierenden Impulsfolge ermittelt wird.
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Bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Abgleichverfahren erfolgt der
Abgleich nicht wie bisher auf statischem, sondern auf dynamischem Wege. Schnelle
periodische Änderungen der Eingangs spannung des Schalters führen dabei zu einer
Rechteckimpulsfolge am Ausgang des Schalters,
deren Tastverhältnis
linear von der Offsetgröße abhängt.
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Durch Veränderung des Abgleichelementes kann das optimale Tastverhältnis
von 1 : 1 eingestellt werden. Zweckmäßigerweise wird hierbei die Ausgangsspannung
des Schalters mittels eines zweikanaligen Oszilloskops registriert. Wenn man hierbei
den einen Kanal normal und den anderen invers betreibt und im getriggerten Betrieb
arbeitet, lassen sich die beiden Schaltimpulse "O" und "1" des Schalters genau untereinander
darstellen, wodurch der Abgleich auf gleiche Länge der beiden Rechteckimpulse wesentlich
erleichtert wird. Der Abgleich läßt sich insbesondere dann sehr genau vornehmen,
wenn man mit kleiner Signalamplitude arbeitet, die Jedoch wesentlich größer als
die Hysteresespannung sein muß.
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Die Genauigkeit des Abgleichs läßt sich weiter verbessern, wenn man
die Auswertung des Schalterausgangssignals mit einer Zeitmeßeinrichtung vornimmt,
die mit einem Rechner gekoppelt ist. Auf diese Weise kann eine integrierende Messung
der Unsymmetrie des Tastverhältnisses durchgeführt werden, wobei abwechselnd die
Impulsdauer des Impulses "O" und des Impulses "1" erfaßt und aus einer Reihe von
Meßwerten der Mittelwert für die noch vorhandene Unsymmetrie gebildet wird. Wenn
man die Unsymmetrie auf diese Weise ermittelt, lassen sich Instabilitäten der Frequenz
des Signalgenerators eliminieren, und Amplitudenschwankungen sowie Störungen, die
dem Eingangssignal überlagert sind, werden ausgemittelt.
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Das neue Abgleichverfahren wird anhand einer in Figur 1 dargestellten
Abgleichanordnung sowie anhand von in den Figuren 2 und 3 dargestellten Diagrammen
näher erläutert.
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Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Abgleichanordnung,
mit der der Offset-Abgleich an einem elektronischen Schalter 1 durchgeführt wird.
Bei.dem elektronischen Schalter 1 handelt es sich um eine Komparator-
stufe
2 mit zugeordnetem Abgleichwiderstand 3. Der Referenzeingang 6 des elektronischen
Schalters ist geerdet, während an den Arbeitseingang 4 die Wechselspannungsquelle
5 angeschlossen ist. Der Ausgang 7 des elektronischen Schalters ist an die beiden
Eingänge eines zweikanaligen Oszilloskops geführt, wobei der Kanal A normal und
der Kanal B invers betrieben wird. Durch getriggerten Betrieb des zweikanaligen
Oszilloskops 8 wird erreicht, daß auf dem Bildschirm 9 die beiden Schaltzustände
des elektronischen Schalters 1 genau untereinander dargestellt sind.
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Gemäß dem Diagramm in Figur 2 wird auf den Arbeitseingang 4 des elektronischen
Schalters 1 eine periodischsymmetrische Wechselspannung in Form einer Dreiecksspannung
(den) gegeben. Wenn nun die Offsetspannung des Schalters AU beträgt und der Schalter
eine Hysteresespannung UHy8t aufweist, wird der Schaltzustand des elektronischen
Schalters 1 Jeweils dann zu den Zeitpunkten #1 und #2 verändert, wenn die Eingangsspannung
den Wert U + UHyqt bzw. hU - 2 UHy8t erreicht. Der Verlauf der Ausgangs spannung
Uaus ist dann eine Rechteckimpulsfolge mit der Impulsdauer T1 und der Impulspause
T2, wobei T1 / T2 ist.
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Durch Verändern des Abgleichwiderstandes 3 läßt sich erreichen, daß
die Offsetspannung #U Null wird, so daß die Hysteresespannung UHyst symmetrisch
zum Nullwert der Arbeitsspannung Uein liegt. Dies ist in Figur 3 dargestellt.
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Dementsprechend wechselt der elektronische Schalter 1 zu den Zeiten
V3 und t4 seine Ausgangsspannung, so daß eine Rechteckimpulsfolge mit der Impulsdauer
T3 und der Impulspause T4 entsteht, wobei T3 3 T4 ist.
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Bei Verwendung einer Zeitmeßeinrichtung mit zugeordnetem Rechner werden
die Impulslängen T1 und T2 gemessen und
miteinander verglichen,
wobei entweder die Zeitdifferenz oder das Tastverhältnis zur Anzeige gelangen. Für
das in Figur 2 dargestellte Diagramm ist das Tastverhältnis = 1 bzw. die Differenz
der Impulslängen = O.
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Als Eingangsspannung können bei dem beschriebenen Abgleichverfahren
auch andere symmetrische Wechselspannungen verwendet werden, deren Gleichspannungsmittelwert
Null ist, beispielsweise eine Sinusspannung. Der Abgleich kann auch automatisch
durchgerührt werden, indem als Abgleichelement Dünnschicht- oder Dickschichtwiderstände
eingesetzt werden, deren Größe mit Hilfe eines Laserstrahles verändert wird.
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3 Patentansprüche 3 Figuren
Zusammenfas sung Abgleichverfahren
für elektronische Schalter Bei elektronischen Schaltern, wie Komparatoren und Schmitt-Triggern,
die mit einer Hysterese ausgestattet sind, ist ein Offset-Abgleich notwendig. Dieser
soll erfindungsgemäß dynamisch durchgeführt werden, indem bei geerdetem Referenzeingang
(6) des Schalters (1) an den Arbeitseingang (4) eine periodisch-symmetrische Wechselspannung
(5) angelegt und am Ausgang (7) des Schalters das Tastverhältnis der resultierenden
Impulsfolge in Abhängigkeit von der elektrischen Größe eines Abgleichelementes (3)
ermittelt und eingestellt wird.
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FIG 1
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