DE3701411A1

DE3701411A1 - Schaltungsanordnung zum verstaerken und umwandeln einer signalspannung in eine rechteckspannung

Info

Publication number: DE3701411A1
Application number: DE19873701411
Authority: DE
Inventors: Guenther Dipl Ing Spanagel
Original assignee: Metz Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Metz Werke GmbH and Co KG
Priority date: 1986-01-22
Filing date: 1987-01-20
Publication date: 1987-10-29
Also published as: DE3701411C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Verstärken und Umwandeln einer Signalspannung, die aus der Summe einer Wechselspannung und einer schwankenden Gleichspannung besteht, in eine Rechteckspannung.

Es ist bekannt, bei Operationsverstärkern mit zwei Eingän gen dem einen Eingang eine Signalspannung und dem anderen Eingang eine Referenzspannung zuzuführen, mit dem der Arbeitspunkt des Verstärkers richtig eingestellt werden kann. Das bereitet keine Probleme, solange der Mittelwert der Signalspannung konstant ist oder sich im Verhältnis zu ihrer Amplitude nur wenig ändert.

Soll jedoch eine Signalspannung verarbeitet werden, die aus der Summe einer Wechselspannung und einer schwankenden Gleichspannung besteht und die mit ihrer Amplitude den Operationsverstärker nahezu vollständig aussteuert, dann kann der Operationsverstärker die Signalspannung nur dann richtig verarbeiten, wenn die Referenzspannung etwa der Gleichspannung entspricht. Ist das nicht der Fall, wird der Operationsverstärker durch die von der Referenzspan nung stark abweichende Gleichspannung in die Begrenzung gefahren, wodurch die Wechselspannung mindestens teilweise unterdrückt wird und diese am Ausgang des Operationsver stärkers nicht mehr vollständig erscheint.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung anzugeben, mit der diese Nachteile vermieden werden und die zugeführte Signalspannung auch bei einem stark schwan kenden Gleichspannungsanteil immer richtig verarbeitet wird, so daß am Ausgang eine Rechteckspannung erscheint, deren Frequenz der Frequenz der in der zugeführten Signalspannung enthaltenen Wechselspannung entspricht. Ferner soll für den Fall des Aussetzens dieser Wechsel spannung erkennbar sein, ob diese nach einem ansteigenden oder nach einem abfallenden Spannungsverlauf ausgesetzt hat.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbe sondere darin, daß der Arbeitspunkt des Operationsverstär kers selbsttätig immer in der Mitte der Kennlinie verbleibt, auch wenn der Gleichspannungsanteil der zugeführten Signalspannung stark schwankt, und daß dadurch die abgegebene Rechteckspannung immer die gewünschte Form aufweist und daß beim Aussetzen der Wechselspannung die abgegebene Rechteckspannung je nachdem, ob das Aussetzen nach einem ansteigenden oder nach einem abfallenden Spannungsverlauf erfolgt ist, entweder auf dem maximalen oder auf dem minimalen Spitzenwert stehenbleibt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 ein Schaltbild gemäß der Erfindung und

Fig. 2 Spannungsverläufe an verschiedenen Punkten des Schaltbildes nach Fig. 1.

Ein erster Operationsverstärker 2 mit zwei Eingängen (+, -) und einem Ausgang erhält an seinem invertierenden Eingang (-) über einen Vorwiderstand 5 vom Ausgang einer nieder ohmigen Spannungsquelle 1 eine zu verstärkende Signal spannung u ₁, deren Gleichspannungsanteil mit einer Ampli tude schwankt, die etwa so groß ist wie die Amplitude der Wechselspannung, und über einen Gegenkopplungwiderstand 6 von seinem eigenen Ausgang eine Gegenkopplungsspannung, wobei mit dem Größenverhältnis des Widerstandes 6 zu dem Widerstand 5 der Verstärkungsfaktor festliegt.

Die niederohmige Spannungsquelle 1 kann zum Beispiel ein Emitterfolger oder ein gegengekoppelter Operationsverstär ker sein, an dessen Eingang (+) die zu verstärkende Signalspannung anliegt, die zum Beispiel von einem Spannungsteiler herrührt, der aus einem temperaturabhängi gen Widerstand 8 und einem weiteren Widerstand 9 besteht. Die zu messende Temperatur kann zum Beispiel die Tempera tur der Atemluft eines Menschen sein, wobei dieser tempe raturabhängige Widerstand 8 neben den Schwankungen der Temperatur der Atemluft auch der langsam sich ändernden Umgebungstemperatur ausgesetzt ist, was zu der Signalspan nung u ₁ führt.

Der Ausgang der diese Signalspannung u ₁ liefernden nieder ohmigen Spannungsquelle 1 ist nicht nur mit dem invertie renden Eingang (-) des ersten Operationsverstärkers 2 verbunden, sondern auch über einen Tiefpaß 3, 4, 7 mit dem nicht invertierenden Eingang (+), wobei der Tiefpaß 3, 4, 7 mindestens den Gleichspannungsanteil der Signalspannung u ₁ durchläßt. Durch Bildung der Differenz zwischen den den beiden Eingängen (+, -) des ersten Operationsverstärkers 2 zugeführten Spannungen, also u ₂-u ₁, wird in diesem nur die reine Wechselspannung, also ohne die schwankende Gleich spannung, verstärkt, so daß am Ausgang dieses Verstärkers 2 die entsprechend verstärkte Wechselspannung u ₃, überla gert mit dem nicht verstärkten Gleichspannungsanteil, erscheint.

Ferner sind zwei weitere als Komperatoren 10, 11 arbeiten de Operationsverstärker sowie ein bistabiler Multivibrator 12 vorgesehen. Dabei ist der Ausgang des ersten Opera tionsverstärkers 2 mit dem nicht invertierenden Eingang (+) des ersten Komperators 10 und mit dem invertierenden Eingang (-) des zweiten Komperators 11 und der Ausgang der die Signalspannung u ₁ liefernden Spannungsquelle 1 mit der Anode einer ersten Zenerdiode 13 und mit der Kathode einer zweiten Zenerdiode 14 verbunden, während die Kathode der ersten Zenerdiode 13 mit dem invertierenden Eingang (-) des ersten Komperators 10 und über einen ersten Vorwider stand 15 mit dem positiven Anschluß einer Versorgungsspan nungsquelle und die Anode der zweiten Zenerdiode 14 mit dem nicht invertierenden Eingang (+) des zweiten Kompera tors 11 und über einen zweiten Vorwiderstand 16 mit dem negativen Anschluß der Versorgungsspannungsquelle verbun den ist.

Dadurch wird die Ausgangsspannung des ersten Operations verstärkers 2 in dem Komperator 10 mit der um die Zener spannung der Zenerdiode 13 vergrößerten Signalspannung, also u ₁+U _z, und in dem Komperator 11 mit der um die Zenerspannung der Zenerdiode 14 verminderten Signalspan nung, also u ₁-U _z, verglichen. Das Ergebnis dieser Vergleichsvorgänge, nämlich die impulsförmigen Spannungen u ₄ und u ₅ an den Ausgängen der Komperatoren 10, 11 ist von der Schwankung des Gleichspannungsanteils der Signalspan nung u ₁ nahezu unabhängig.

Diese Ausgangsimpulse u ₄, u ₅ gelangen an den Setz- bzw. an den Rücksetzeingang des bistabilen Multivibrators 12, der an seinem Ausgang die gewünschte Rechteckspannung u ₆ liefert, deren Frequenz mit der Frequenz der in der Signalspannung u ₁ enthaltenen Wechselspannung überein stimmt und die zusätzlich in Abhängigkeit von der Richtung des Verlaufs dieser Wechselspannung im Zeitpunkt ihres Aussetzens entweder ihren maximalen oder ihren minimalen Wert beibehält.

Der Tiefpaß 3, 4, 7 besteht aus einem Längswiderstand 3 und einer parallel zum nicht invertierenden Eingang (+) des ersten Operationsverstärkers 2 angeordneten Serien schaltung aus einem Kondensator 7 und einem weiteren Widerstand 4. Die Grenzfrequenz dieses Tiefpasses 3, 4, 7 liegt zum Erzielen eines schnellen Einschwingens bei Änderung des Gleichspannungsanteils u ₂ in der Größenord nung der Frequenz der Signalspannung u ₁, wobei der in Serie zum Kondensator 7 angeordnete Widerstand 4 so dimen sioniert ist, daß die Phasenverschiebung zwischen der Rechteckspannung u ₆ und der Signalspannung u ₁ möglichst klein, mindestens jedoch kleiner als 70° ist.

Zum besseren Verständnis der erfindungsgemäßen Schaltungs anordnung sind in Fig. 2 die sich an den entsprechend gekennzeichneten Stellen des Schaltbildes ergebenden Spannungsverläufe dargestellt.

Fig. 2a zeigt die aus der Wechselspannung nach Fig. 2c und der schwankenden Gleichspannung u ₂ nach Fig. 2b zusammen gesetzte Signalspannung u ₁.

Fig. 2d zeigt die am Ausgang des ersten Operations verstärkers 2 stehende, den Komperatoren 10, 11 zugeführte Spannung u ₃, die aus dem verstärkten Wechselspannungsan teil und dem nicht verstärkten Gleichspannungsanteil der Signalspannung u ₃ zusammengesetzt ist, sowie die ebenfalls den Komperatoren 10, 11 zum Vergleich mit der Spannung u ₃ zugeführten Spannungen u ₁+U _z und u ₁-U _z, die durch Vergrö ßern bzw. Vermindern der unverstärkten Signalspannung u ₁ um die Zenerspannung U _z der Zenerdioden 13, 14 entstehen.

Fig. 2e zeigt die durch den Vergleich der Spannung u ₃ mit der Summenspannung u ₁+U _z entstehende impulsförmige Spannung u ₄, während in Fig. 2f die durch den Vergleich der Spannung u ₃ mit der Differenzspannung u ₁-U _z entste hende Spannung u ₅ dargestellt ist.

Fig. 2g zeigt die Ausgangsspannung u ₆ des Multivibrators 12, der jeweils durch eine Anstiegsflanke der Spannung u ₄ bzw. u ₅ gesetzt bzw. rückgesetzt wird.

Durch die punktierten Linien zwischen den Fig. 2d, 2e, 2f und 2g wird deutlich, daß die Impulsflanken der Spannungen u ₄ und u ₅ und die Schnittpunkte der Spannung u ₃ mit der Summenspannung u ₁+U _z bzw. mit der Differenzspan nung u ₁-U _z zeitlich zusammenfallen und daß das Setzen des Multivibrators 12 kurz vor Erreichen des Maximums und das Rücksetzen kurz vor Erreichen des Minimums der Spannung u ₃ erfolgt.

Ferner ist in Fig. 2d durch aus Kreisen und Kreuzen gebil dete Linien das Verhalten der Spannung u ₃ beim Aussetzen nach einem ansteigenden und nach einem abfallenden Spannungsverlauf dargestellt. Da die Spannung u ₃ nach dem Aussetzen weder die Summenspannung u ₁+U _z noch die Diffe renzspannung u ₁-U _z überschneiden kann, wie in Fig. 2d zu sehen ist, können die Komperatoren 10, 11 ihre Ausgangs spannungen u ₄ und u ₅ nicht mehr von dem negativen auf den positiven Pegel umschalten, so daß auch der Multivibrator 12 nicht mehr angesteuert wird und seine Ausgangsspannung u ₆ ihren letzten Pegel beibehält. Die zugehörigen durch Kreise und Kreuze gebildeten Linien in den Fig. 2e, 2f und 2g zeigen, daß die Spannungen u ₄ und u ₅ nach dem Aussetzen den negativen Pegel beibehalten, während die Spannung u ₆ beim Aussetzen der Spannung u ₃ nach einem ansteigenden Verlauf einen positiven Pegel und beim Aussetzen nach einem abfallenden Verlauf einen negativen Pegel beibehält.

Claims

1. Schaltungsanordnung zum Verstärken und Umwandeln einer Signalspannung, die aus der Summe einer Wechselspan nung und einer schwankenden Gleichspannung besteht, in eine Rechteckspannung, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang einer die Signalspannung (u ₁) liefernden Spannungsquelle (1) sowohl mit dem invertierenden Eingang (-) eines ersten Operationsverstärkers (2) als auch über einen mindestens die schwankende Gleichspannung (u ₂) durchlassenden Tiefpaß (3, 4, 7) mit dem nicht invertie renden Eingang (+) des ersten Operationsverstärkers (2) verbunden ist, daß ferner zwei weitere als Komperatoren (10, 11) arbeitende Operationsverstärker sowie ein bista biler Multivibrator (12) vorgesehen sind, wobei der Ausgang des ersten Operationsverstärkers (2) mit dem nicht invertierenden Eingang (+) des ersten Komperators (10) und mit dem invertierenden Eingang (-) des zweiten Komperators (11) verbunden ist, wobei ferner der Ausgang der die Signalspannung (u ₁) liefernden Spannungsquelle (1) mit der Anode einer ersten Zenerdiode (13) und mit der Kathode einer zweiten Zenerdiode (14) verbunden ist und wobei die Kathode der ersten Zenerdiode (13) mit dem invertierenden Eingang (-) des ersten Komperators (10) und über einen ersten Vorwiderstand (15) mit dem positiven Anschluß einer Versorgungsspannungsquelle und die Anode der zweiten Zenerdiode (14) mit dem nicht invertierenden Eingang (+) des zweiten Komperators (11) und über einen zweiten Vorwi derstand (16) mit dem negativen Anschluß der Versorgungs spannungsquelle verbunden ist, während der Setzeingang des bistabilen Multivibrators (12) an den Ausgang des einen und sein Rücksetzeingang an den Ausgang des anderen der beiden Komperatoren (10, 11) angeschlossen und an dem Ausgang des Multivibrators (12) die Rechteckspannung (u ₆) abnehmbar ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Tiefpaß (3, 4, 7) aus einem Längswider stand (3) und einer parallel zum nicht invertierenden Eingang (+) des ersten Operationsverstärkers (2) angeord neten Serienschaltung aus einem Kondensator (7) und einem weiteren Widerstand (4) besteht, daß die Grenzfrequenz des Tiefpasses (3, 4, 7) in der Größenordnung der Frequenz der Signalspannung (u ₁) liegt und daß der in Serie zum Konden sator (7) angeordnete Widerstand (4) so dimensioniert ist, daß die Phasenverschiebung zwischen der Rechteckspannung (u ₆) und der Signalspannung (u ₁) möglichst klein, minde stens jedoch kleiner als 70° ist.