DE3307597A1

DE3307597A1 - Verstaerker mit veraenderlicher verstaerkung

Info

Publication number: DE3307597A1
Application number: DE19833307597
Authority: DE
Inventors: William C. Lagrange Park Ill. Muellner
Original assignee: Perkin Elmer Corp
Current assignee: Applied Biosystems Inc
Priority date: 1982-03-03
Filing date: 1983-03-03
Publication date: 1983-10-20
Anticipated expiration: 2003-03-04
Also published as: JPS58194415A; DE3307597C2; GB8303666D0; GB2116793B; GB2116793A

Description

Verstärker mit veränderlicher Verstärkung

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Verstärker mit veränderlicher Verstärkung nach dem Oberbegriff des Hauptanspuchs.

Die Meßinstrumentenklasse, die für die Messung und Aufzeichnung von Daten verwendet wird, welche durch Spannung, Strom, usw. ausgedrückt sind und Geräte wie zum Beispiel Meßwertschreiber, Digitalvoltmeter und ähnliches umfaßt, hat üblicherweise eine Eingangseinrichtung zum Auswählen von einem einer Mehrzahl von Eingangsbereichen. Die üblichste Einrichtung ist eine von Hand schaltbare Reihe von Spannungsteilern, die

mit einem Eingangsverstärker kombiniert sein können, dessen Verstärkung durch das Schalten eingestellt wird. Das Schalten kann ebenso automatisch mittels Schaltungen für eine automatische Bereichsauswahl durchgeführt werden, die eine Verstärkung auswählen, welche

den angezeigten Meßwert innerhalb der Grenzen der Anzeige halten, oder im Fall einer digitalen Anzeige in geeigneter Weise den Dezimalpunkt verschieben. Um eine Genauigkeit von Bereich zu Bereich aufrecht zu erhalten,

benötigt jeder Bereich einen Teilerzweig, um ein Span-30

nungsverhältnis oder Verstärkungsverhältnis zu erzeugen, das für den speziellen Bereich geeignet ist. Wenn eine Anzahl von'Bereichen in einem Vielbereich-Meßinstrument vorgesehen ist, können die Werte dieser verwendeten Spannungsteilerverhältnisse schwierig zu erreichen sein,wenn billige Widerstände von handeis-

üblichen Widerstandswerten verwendet werden. Anderenfalls kann die Anzahl von teuren Widerständen mit speziellen Werten unerwünscht hoch sein.

Die Anzahl der benötigten Spezialw.iderstände kann vermindert werden, indem in dem Gerät wirtschaftlich geschaltete Widerstandsnetzwerke verwendet werden, wobei handelsübliche Werte der Widerstände verwendet werden können und wobei jeder Widerstand im Schaltkreis für mehr als einen ausgewählten Bereich liegt. Allerdings haben die ungefähren Spannungsteilerverhältnisse, die auf diese Weise für verschiedene Schalter-Betriebsarten erreicht werden, wahrscheinlich nicht die gewünschten Teilerverhältnisse, sondern weichen von diesen um einen erheblichen Betrag ab. Diese Situation wird durch die großen Toleranzen von billigen Widerständen verschärft.

Daher ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die Verbesserung einer durch einen Mikroprozessor gesteuerten Korrektor für jedes der ungefähren Verhältnisse eines derartigen wirtschaftlich geschalteten Schaltkreises zu schaffen, um die gewünschten genauen Teiler-Verhältnisse zu erhalten.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß der gleiche Mikroprozessor das erforderliche Schalten für jeden Bereich gänzlich unter Verwendung von Festkörper-Komponenten ausführt, um die Probleme zu vermeiden, die mit beweglichen Kontakten, mit Relais und ähnlichen Schalteinrichtungen verbunden sind.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung liegt in der Verwendung desselben Mikroprozessors für die Korrektur und für das Schalten, welcher auch für andere Mes-

sungen, Berechnungen und Steuerfunktionen des Meßinstrumentes verantwortlich ist, das die vorliegende Erfindung nutzt.

Wiederum ein anderes Ziel liegt darin, eine innere Einrichtung zu schaffen, wodurch der nötige Faktor für die Verwendung in dem Programm für die Verhältniskorrektur für den Mikroprozessor verfügbar gemacht werden kann.

Die obengenannten und weitere Ziele und funktioneile Zusammenhänge des Verstärkers mit gesteuerter Verstärkung, der in der vorliegenden Beschreibung als bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Verwendung offenbart ist, wird beispielhaft beschrieben, indem dieser Verstärker als Eingangsverständer als Vielbereich-Meßwertschreibers betrachtet wird. Verschiedene Funktionen dieses Meßwertschreibers werden durch den Mikroprozessor gesteuert und sind detailliert in parallelen Patentanmeldungen beschrieben. Der Eingangsverstärker der vorliegenden Erfindung enthält einen Operationsverstärker, der in einer nicht-invertierenden Rückkopplungs-Betriebsweise angeordnet ist. Ein Widerstandsnetzwerk mit vielen Stromwegen im Rückkopplungszweig und im Ausgangszweig dieses Verstärkers kann in eine Mehrzahl von Konfigurationen geschaltet werden, indem Halbleiterschalter verwendet werden, die durch den Mikroprozessor durch Setzen von Bit-Werten in einer peripheren Schnittstellen-Halteschaltung (PIA) gesteuert werden. Der Ausgängszweig dieses Widerstandsnetzwerkes ist ein Spannungsteiler, dessen oberer Teil kurzgeschlossen werden kann, um den Ausgangswert um einen Faktor 5 zu verändern. Der Ausgangswert dieser Teilerschaltung wird einem Analog-Digital-Wandler (ADC) zugeführt, der diesen Ausgangswert in eine digitale Form umwandelt und in einem Register für eine anschließende Software-Korrektur speichert.

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• · al · *

Aufgrund der beschränkten Anzahl von Widerständen und Schaltern, die in diesem Netzwerk zur Steuerung der Verstärkung verwendet werden, können die gewünschten Spannungsteiler-Verhältnisse für die zehn Verstärkungsver-

hältnisse des vorliegenden Ausführungsbeispieles lediglich angenähert werden. Ein Programm, das für jeden Bereich einen Korrekturfaktor, der in dem Software-Programm mit FUDGE bezeichnet wird, erzeugt, multipliziert den ungenauen oder groben Ausgangswert vom Analog-Digital-Wandler mit diesem Korrekturfaktor, um einen korrigierten digitalen Ausgangswert für diesen Bereich zu gewährleisten. Der korrigierte Wert wird nachfolgend in dem Meßwertschrei ber verwendet. Der zentrale Mikroprozessor, der weitere

Funktionen des Meßwertschreibers steuert, richtet seine 15

Aufmerksamkeit auf dieses Programm zu vorbestimmten zeitlichen Intervallen. Die Ausgangswerte werden nach ihrer Korrektur durch den Mikroprozessor für eine Verwendung in einem Servo-Programm des Aufzeichnungsgerätes gespeichert.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 ein vereinfachtes schematisches Diagramm

eines erfindungsgemäßen Analog-Verstärkers;

Fig. 2 eine Code-Tabelle für die Bereichsumschaltung ;

Fig. 3 ein vereinfachtes Flußdiagramm des Software-Programmes; und

Fig. 4 einen typischen Maschinencode für das Software-Programm .

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der Anlalogverstärkerschaltung der vorliegenden Erfindung, wobei ein Analogsignal, das gemessen werden soll, an die Eingangsklemmen eines einfachen Filters 1 angelegt wird, das Geräuschimpulse und ähnliche Verzerrungen beseitigt und den üblichen, die Vorspannung ausgleichenden Widerstand 2 enthält. Die untere Seite des Einganges ist üblicherweise mit der Meßgeräte-Masse verbunden, während die andere Seite mit der Plus-Klemme bzw. nicht-invertierenden Klemme 3 eines üblichen Operationsverstärkers 5 verbunden ist. Dieser Operationsverstärker kann üblicherweise ein solcher Typ sein, wie er unter der Bezeichnung Typ 07 von der Firma Analog Devices, Inc. oder von anderen Herstellen angeboten wird, obwohl andere, ähnliche Typen ebenso für eine Verwendung in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zufriedenstellend anwendbar sind.

Der Ausgang H des Operationsverstärkers 5 ist mit dem oberen Leiter 10 eines schaltbaren Rückkoppelungsnetz-Werkes 6 verbunden. Zwischen diesem oberen Leiter und Masse liegt ein erster Spannungsteiler mit einem Widerstand. 11 und mit entweder einem Widerstand 13 oder einem Widerstand 15 in Abhängigkeit von dem Zustand von zwei gegenseitig-exklusiven Schaltern, die in der Figur mit dem Bezugszeichen SW-4 und SW-5 bezeichnet sind. Diese Schalter, die hier in ihrer Funktionsform dargestellt sind, sind Teil eines Halbleiterschalters 17, der eine Hälfte eines digitalen Gattergerätes ist, das unter der Bezeichnung DG 390 von dem Hersteller Siliconix oder von anderen Herstellern auf diesem technischen Gebiet angeboten wird. Ebenso ist mit dem oberen Leiter 10 ein erster Neben-

·*-
■ 8.

schluß-Widerstand 23 verbunden, der parallel zum Widerstand 11 durch Betätigung des Schalters SW1 des digitalen Gattergerätes 21 geschaltet werden kann. In ähnlicher Weise ist ein zweiter Nebenschluß-Widerstand 23 auch mit dem oberen Leiter 10 verbunden und kann parallel zum Widerstand 11 durch Betätigen des Schalters SW2 des digitalen Gattergerätes 25 geschaltet werden. Diese digitalen Gattergeräte sind ein Viertel des digitalen Gattergerätes DG 201, das vom gleichen Hersteller angeboten wird. Es ist offensichtlich, daß das Verhältnis der Spannung, die an dem mittleren Punkt 8 des Teilers mit den Widerständen 11, 19, 25, 13 und 15 erscheint, zu der Spannung, die am Ausgang 4 erscheint, einen von mehreren Werten in Abhängigkeit von der Stellung der Schalter SW1, SW2, SW4 und SW5 annehmen wird. Der mittlere Punkt 8 vrird zu der invertierenden Eingangsklemme .des Operationsverstärkers 5 in der üblichen Weise durch den üblichen, die Vorspannung ausgleichenden Widerstand 14 und einen eine Schwingung unterdrückenden Kondensator 12 zurückgeführt. Die Spannungsverstärkung einer Rückkoppelungsverstärkungsschaltung dieses Type.s ist umgekehrt proportional zu dem Verhältnis der Spannung an dem mittleren Punkt 8 in Bezug auf die Spannung an dem Ausgang 4 und wird daher durch die Schalterstellungen bestimmt.

Ein Ausgangsteiler enthält Widerstände 27 und 29 und ist ebenso zwischen dem oberen Leiter 10 und Masse geschaltet. Ein digitales Gatter 34 besteht aus einem Viertel des Gerätes DG 201 und arbeitet als Schalter SW3, der den Widerstand 27 kurzschließen kann und damit das Teilerverhältnis um einen Faktor von ungefähr 5 verändern kann. Der mittlere Punkt 12 dieses Teilers ist mit dem Eingang eines Analog-Digital-Wandlers (ADC) verbunden, der die Ausgangsspannung, die am Punkt 12 erscheint, digitalisiert.

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Die Schalterfunktionen, die durch die digitalen Gatter bewirkt werden, werden durch einen Mikroprozessor 35 bestimmt, der ein peripheres Schnittstellen-Anpassungsnetzwerk 33 (PIA) adressiert und die Ausgangstore der Schnitt-5

Stellenschaltung als Halteschaltungen zum Setzen der digitalen Gatterschalter in deren offene oder geschlossene Stellung verwendet, wie es durch einen Bit-Code bestimmt ist, der durch den Mikroprozessor in Übereinstimmung mit dem gewählten Bereich eingestellt wird- Fig. 2 zeigt eine Tabelle der Schalterpositionen und der resultierenden Analogverstärkungen, die den Schalterstellungen entsprechen in Bezug auf das dargestellte Ausführungsbeispiel.

p. Obwohl die analogen Verstärkungswerte, die sich aus dem Schalten ergeben, ungefähr die gewünschten korrigierten Verstärkungswerte erreichen, ist es möglich, die Verstärkungsgenauigkeit durch eine Software-Korrektur zu verbessern, die durch den Mikroprozessor auf den digitalisier-

2Q ten AD-Ausgangswert bzw. ungenauen AD-Ausgangswert angewendet wird. In der einfachsten Fassung dieser Software-Korrektur wird ein Korrektur-Code-Faktor, der in dem Software-Programm mit FUDGE bezeichnet wird, für jeden Verstärkungsbereich vorbestimmt und im Speicher gespeichert. Der Mikroprozessor erhält diesen Wert vom Speicher und wendet ihn auf den digitalisierten AD-Wandler-Ausgangswert unter Verwendung der folgenden Formel an: Korrigierter AD-Ausgangswert ist ungefährer AD-Ausgangswert + 1/N · (ungefährer AD-Ausgangswert).

Der Faktor 1/N wird durch ein Unterprogramm von FUDGE geliefert und durch Verwendung des Schiebeprogrammes und des Additionsprogrammes angewendet, das in dem Flußdiagramm von Fig. 3 dargestellt ist und in dem "FUDGER"-Serviceprogramm-Maschinencode von Fig. 4 dargestellt ist. Daher wird durch eine Kombination dieses Software-Programmes

und eines geschalteteten Hardware-Widerstandnetzwerkes der gewünschte korrigierte A/D-Wandler-Ausgangswert gewährleistet .

Um die Ableitung und Verwendung des FUDGE-Codes beispielhaft darzustellen, sei ein Bereich betrachtet, bei dem die durch das geschaltete Netzwerk eingestellte Analogverstärkung in dem 500 mV-Bereich sich zu 3,690 berechnet. Die analoge Ausgangs-Spannung ist dann 1845 mV. Um dieses Bei-

spiel zu vereinfachen, nehme man an, daß die A/D-Wandler-Bezugsspannung derart sei, daß der "ungenaue" A/D-Wandler-Ausgangswert ebenfalls 1845 mV ist. Man nehme nun an, daß ein korrigierter A/D-Wandler-Ausgangswert von 2000 mV gewünscht sei, was einem Zählwert von 2000 und damit dem

vollen Skalenbereich des Aufzeichnungsgerätes entspräche. Bei Verwendung der obigen Formel ergibt sich:

2000 = 1845 + (1845/N)

Hieraus ergibt sich:

1845/N = 2000 - 1845 = 155. Die Lösung der obigen Gleichung ergibt:

N=II.903;
1/N = 0.08401.

In binärer Darstellung entspricht dieser Wert 00010101. Der Erfinder fand heraus, daß es möglich ist, die Software-Korrektur-Berechnungsroutine durch eine neue und nicht nahegelegte Vorgehensweise erheblich zu vereinfachen, indem der 1/N-Wert umgekehrt wird und um eine Ziff_er nach links verschoben wird, so daß der in der Software-Routine verwendete Code für FUDGE sicher erhalten wird.

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Durch Ausführen dieser Operation wird der Binärwert 101010000 für FUDGE gebildet. Dieser Binärwert kann nun in ein Byte als Binärwert 01010000 getan werden, indem

das höchstwertige Bit fortgelassen wird. Diese Vorgehens-5

weise erzeugt einen ungefähr korrigierten A/D-Ausgangswert von 1989 mittels der Berechnungsroutine. Andererseits kann die binäre Date FUDGE auf zwei Byte zur Erzielung einer höheren Genauigkeit ausgedehnt werden. In

diesem Fall kann man den Wert 1/N mit 12 bis 16 Bit be-10

rechnen, umkehren und nach.links schieben, wodurch sich der FUDGE-Code als IIO1OIOOOO ergibt, was einen korrigierten A/D-Wandler-Ausgangswert von 1999,95 als Ergebnis der Berechnungs-Routine ergibt. Ein weiterer Ausweg be-

, _ steht manchmal darin, die Date FUDGE durch überprüfung in b

Abhängigkeit von einer Entscheidung zu verändern, wie für einen Fachmann auf dem Gebiet der Binärzahlen offensichtlich ist, um diese Date zum Erreichen eines näheren Ergebnisses zu codieren, während weiterhin eine Datenlänge von einem Byte beibehalten wird. Ein Ausführungsbeispiel für diesen Fall ist die Verwendung des Binärwertes 11010000 für die Date FUDGE, die den korrigierten A/D-Wandler-Ausgangswert von 2003,6 erzeugt. Diese Veränderung der Date FUDGE, um diese in einem Byte zu halten, kann im allge-_

2g meinen wirkungsvoller sein, wenn die Software-Verstärkungskorrektur in Abhängigkeit von einer Entscheidung zu einem höheren Wert mit dem gleichen Verhältnis für alle Bereiche angehoben wird. Diese Vorgehensweise würde ebenso negative 1/N-Werte beseitigen. Das Verkürzen der Date FUDGE auf ein Byte kann sehr hilfreich sein oder sogar nötig sein, wenn der Speicherplatz begrenzt ist. Ebenso trägt die Kürze der neuen Software-Berechnungsroutine dazu bei, daß man mit einem kleinen Speicherplatz auskommen kann. Die "höhere" Software-Korrektur kann häufig ausgewählt werden, um die Notwendigkeit einer Korrektur in einigen Bereichen zu beseitigen. Wenn die "höhere" Software-Kor-

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rektur verwendet wird, bewirkt eine Änderung der A/D-Wandler-Bezugsspannung ein Zurücksetzen der letztendlichen Ausgangsspannung auf den gewünschten Wert für sämtliche

Bereiche, z.B. auf 2000 mV im vorliegenden Ausführungsbei-5

spiel.

Diese neue Kombination einer Software- und Hardware-Verstärkungssteuerung ermöglicht weitere Vorteile. Im vorhergehenden einfachen Ausführungsbeispiel wurde angenommen, daß Widerstände einer derartigen Genauigkeit verwendet werden, daß eine Veränderung der Verstärkung von einem Gerät zu einem anderen aufgrund von Toleranzen der Widerstandswerte unerheblich sei. Es ist allerdings ein wei-,c teres Merkmal der Erfindung, daß durch eine Auswahl oder durch eine numerische Einstellung des FUDGE-Codes für jeglichen Bereich ein grober Verstärkungsfehler aufgrund von Veränderungen des Widerstandswertes mittels der Software-Berechnungsroutine sehr genau korrigiert werden kann. Die

■ 20 Bestimmung des benötigten FUDGE-Codewertes kann ausgeführt werden, indem dem Analogverstärker eine bekannte Spannung eingangsseitig zugeführt wird und indem der FUDGE-Code bestimmt wird, der den entsprechenden digitalen Ausgangswert, der erwünscht ist, erzeugt. Dadurch wird eine korrigierte Gesamtverstärkung erreicht. Dieser FUDGE-Code wird daraufhin in einem nicht-flüchtigen Speicher zur Verwendung in dem FUDGE-Unterprogramm gespeichert.

Weiterhin umfaßt die vorliegende Erfindung ein automatisches 'Verstärkungskorrekturprogramm, das jedesmal durch den Mikroprozessor ausgeführt wird, wenn ein Bereich ausgewählt wird. Eine bekannte Spannung wird an den Analogeingang angelegt. Diese Spannung kann durch ein internes, auf digitale Weise gesteuertes Bezugsspannungsgerät geliefert werden, wie z.B. die stiftprogrammierbare Präzisionsbezugsspannungsquelle "AD 584", die von der Firma Analog Devices, Inc. hergestellt wird und eine Genauigkeit

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von 0,1 Prozent oder besser hat. Der Mikroprozessor liest daraufhin den ungenauen A/D-Wandler-Ausgangswert, wie es oben beschrieben wurde, und bestimmt den FUDGE-Code, der nötig ist, um diesen Ausgangswert zu korrigieren, und speichert den FÜDGE-Code, der derart bestimmt wurde, in dem flüchtigen Speicher RAM. Dieser Vorgang wird für jede Bereichsauswahl wiederholt und wird so oft ausgeführt, wie es benötigt wird, so daß jegliche zeitliche Veränderung der tatsächlichen Verstärkung kompensiert werden kann.

Es sei angemerkt, daß unabhängig von den Vorteilen der obengenannten Verwendung von Festkörper-Schalteinrichtungen in dem Rückkoppelungsnetzwerk das Wesentliche der vorliegenden Erfindung ebenso bei Verwendung von mechanischen Schaltern oder Handschaltern oder sogar im Falle eines einzigen Verstärkungsbereiches ohne Schalter ausgeführt werden kann.

_ΟΛ Obwohl detailliert die Betriebsweise und die Merkmale des

bevorzugten Ausführungsbeispieles beschrieben wurden, sei der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung nicht auf die beispielhafte Verwendung und Bauweise beschränkt. Es ist offensichtlich, daß der vorliegende Verstärker mit einer Software-Verstärkungssteuerung in einfacher Weise für viele Anwendungsfälle anpaßbar ist, in denen ein Verstärker mit einer hochgenauen Verstärkung gewünscht wird. Ferner ist die vorliegende Erfindung nicht auf bestimmte Verstärkungen oder eine bestimmte Anzahl von Bereichen beschränkt.

Die verschiedenen Anwendungsgebiete dieses Verstärkers mit gesteuerter Verstärkung sind für den Fachmann offensichtlich und werden vom Schutzbereich der in den Ansprüchen festgelegten Erfindung erfaßt.

Leerseite

Claims

GRÜNECKER. KINKELDEY. STOCKMAIR & PARTNER PATENTANWÄLTE

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aOCXJ MÜNCHEN 22 MAXlMUANSTRASSe 43 PH 17 784r5O5/ar 2. März 1983

The Perkin-Elmer Corporation
Main Avenue

Norwalk, Connecticut Ο6856
USA

Verstärker mit veränderlicher Verstärkung 20

P atentan sprüche

Verstärker mit veränderlicher Verstärkung, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

eine Operationsverstärker-Einrichtung (5),

ein Rückkoppelungsnetzwerk (6), das an die Operationsverstärker-Einrichtung (5) angeschlossen ist,

einen Analog-Digital-Wandler, der dem Rückkoppelungsnetzwerk (6) zugeordnet ist, und

eine Rechner-Einrichtung (35) zum Berechnen des korrigierten Wertes des digitalisierten Ausgangswertes, der von dem Analog-Digital-Wandler geliefert wird, unter Verwendung eines vorbestimmten Korrekturfaktors.
2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Rückkoppelungsnetzwerk

eine Mehrzahl von Spannungsteiler-Wegen enthält, und 5

daß die Spannungsteiler-Wege Schalter (SW1 - SW5) ent halten, um eine Mehrzahl von vorbestimmten Spannungsverhältnissen auszuwählen.
3- Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Schalter (SWI - SW5) eine digitale Festkörper-Schalteinrichtung enthalten.
4. Verstärker nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Schalter-Einrichtungen (SW1 - SW5) durch Bits einer Schnittstellen-Halteschaltung (33) betätigt werden, welche durch einen Mikroprozessor (35) gesteuert wird.
2Q 5. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Korrekturfaktor durch Anlegen einer bekannten Eingangsspannung an den Verstärker (5) bestimmt wird, und daß das Bestimmen des Wertes des Korrekturfaktors durch die Charakteristika des Rückkoppelungs-Netzwerkes vorbestimmt ist.
6. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Korrekturfaktor bestimmt wird durch Anlegen- einer bekannten Eingangsspannung an den Verstärker (5) durch Bestimmen des Wertes des Korrekturfaktors, der die richtige Gesamtverstärkung ergibt,und durch Speichern dieses Korrekturfaktors in einem Speicher.