DE3701411C2

DE3701411C2 -

Info

Publication number: DE3701411C2
Application number: DE19873701411
Authority: DE
Inventors: Guenther Dipl.-Ing. Spanagel (Fh), 8502 Zirndorf, De
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: 1988-08-18
Also published as: DE3701411A1

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 Eingängen 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 Referenzspannung stark abweichende Gleichspannung in die Begrenzung gefahren, wodurch die Wechselspannung mindestens teilweise unterdrückt wird und diese am Ausgang des Operationsverstärkers nicht mehr vollständig erscheint.

Aus der JP-OS 57-61 330 ist eine Schaltung bekannt, bei der eine Signalspannung die aus der Summe einer sinusfömigen Wechselspannung und einer schwankenden Gleichspannung besteht, sowohl dem nicht invertierenden Eingang (+) eines Operationsverstärkers als auch - über einen Tiefpaß - dem invertierenden Eingang (-) dieses Operationsverstärkers zugeführt wird, um dem Ausgang eine Rechteckspannung zu entnehmen, die von der schwankenden Gleichspannung befreit ist. Bei geringerer Aussteuerung dieses bekannten Verstärkers könnte seinem Ausgang auch eine von der schwankenden Gleichspannung befreite sinusförmige Wechselspannung entnommen werden.

Es gibt Anwendungfälle, bei denen nach jedem Aussetzen der Wechselspannung festgestellt werden soll, in welcher Richtung die Wechselspannung im Zeitpunkt des Aussetzens gerade verlief. Diese Möglichkeit bietet die bekannte Verstärkerschaltung nicht, denn bei dieser hängt es nur von den Streuungen der im Verstärker enthaltenen Halbleiterelementen ab, auf welchen Pegel ("low" oder "high") sich der Ausgang einstellt, wenn die Wechselspannung aussetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannte Verstärkerschaltung so zu verbessern, daß sie folgende Bedingungen gleichzeitig erfüllt:

a) die zugeführte Signalspannung soll auch bei einem stark schwankenden Gleichspannungsanteil immer richtig verarbeitet werden, so daß am Ausgang eine Rechteckspannung erscheint, deren Frequenz der Frequenz der in der zugeführten Signalspannung enthaltenen Wechselspannung entspricht,
b) für den Fall des Aussetzens der Wechselspannung soll an der Ausgangsspannung erkennbar sein, ob die Wechselspannung 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 insbesondere darin, daß der Arbeitspunkt des Operationsverstärkers 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 (high) oder auf dem minimalen (low) Spitzenwert stehenbleibt.

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

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 niederohmigen Spannungsquelle 1 eine zu verstärkende Signalspannung u ₁, deren Gleichspannungsanteil u ₂ mit einer Amplitude schwankt, die etwa so groß ist wie die Amplitude der Wechselspannung u ₀, und über einen Gegenkopplungswiderstand 6 von seinen eigenen Ausgang eine Gegenkopplungsspannung, wobei mit dem Größenverhältnis des Widerstandes 6 zu dem Widerstand 5 der Verstärkungsfaktor v festliegt.

Die niederohmige Spannungsquelle 1 kann zum Beispiel ein Emitterfolger oder ein gegengekoppelter Operationsverstärker sein, an dessen Eingang (+) die zu verstärkende Signalspannung anliegt, die zum Beispiel von einem Spannungsteiler herrührt, der aus einem temperaturabhängigen Widerstand 8 und einem weiteren Widerstand 9 besteht. Die zu messende Temperatur kann zum Beispiel die Temperatur der Atemluft eines Menschen sein, wobei diese temperaturabhängige Widerstand 8 neben den Schwankungen der Temperatur der Atemluft auch der langsam sich ändernden Umgebungstemperatur ausgesetzt ist, was zu der Signalspannung u ₁ führt.

Der Ausgang der diese Signalspannung

u ₁ = u ₂ + u ₀

liefernden niederohmigen Spannungsquelle 1 ist nicht nur über den Spannungsteiler 5, 6 mit dem invertierenden Eingang (-) des ersten Operationsverstärkers 2 verbunden, sondern auch über einen Tiefpaß 3, 4, 7 mit dem nicht invertierenden Eingang (+). Durch den den Verstärkungsfaktor v bestimmenden Spannungsteiler 5, 6 wird die Signalspannung u ₁ entsprechend herabgesetzt, nämlich auf den Wert u ₁(1-1/v), während der Tiefpaß 3, 4, 7 mindestens den Gleichspannungsanteil u ₂ der Signalspannung u ₁ durchläßt. Durch Bildung der Differenz D zwischen den den beiden Eingängen (+, -) des ersten Operationsverstärkers 2 zugeführten Spannungen, also

D = u ₂ - u ₁(1-1/v),

oder mit u ₁ = u ₂ + u ₀

D = u ₂ - (u ₂ + u ₀)(1-1/v)

und ausmultipliziert

D = u ₂/v + u ₀(1-1/v),

ergibt sich an dessen Ausgang die Ausgangsspannung

u ₃ = D · v

oder mit obiger Gleichung für die Differenz D

u ₃ = u ₂ - u ₀ (v - 1)

und für große Verstärkungsfaktoren (hier ca. 200) mit guter Näherung

u ₃ = u ₂ - u ₀ · v.

In dem ersten Operationsverstärker 2 wird demnach nur die reine Wechselspannung u ₀ verstärkt, während der Gleichspannungsanteil u ₂ mit dem Faktor 1 übertragen wird.

Ferner sind zwei weitere als Komparatoren 10, 11 arbeitende Operationsverstärker sowie ein bistabiler Multivibrator 12 vorgesehen. Dabei ist der Ausgang des ersten Operationsverstärkers 2 mit dem nicht invertierenden Eingang (+) des ersten Komparators 10 und mit dem invertierenden Einang (-) des zweiten Komparators 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 Komparators 10 und über einen ersten Vorwiderstand 15 mit dem positiven Anschluß einer Vesorgungsspannungsquelle und die Anode der zweiten Zenerdiode 14 mit dem nicht invertierenden Eingang (+) des zweiten Komparators 11 und über einen zweiten Vorwiderstand 16 mit dem negativen Anschluß der Versorgungsspannungsquelle verbunden ist.

Dadurch wird die Ausgangsspannung u ₃ des ersten Operationsverstärkers 2 in dem Komparator 10 mit der um die Zenerspannung der Zenerdiode 13 vergrößerten Signalspannung, also u ₁ + U _z, und in dem Komparator 11 mit der um die Zenerspannung der Zenderdiode 14 verminderten Signalspannung, also u ₁ - U _z, verglichen. Das Ergebnis dieser Vergleichsvorgänge, nämlich die impulsförmigen Spannungen u ₄ und u ₅ an den Ausgängen der Komparatoren 10, 11 ist von der Schwankung des Gleichspannungsanteils u ₂ der Signalspannung u ₁ unabhängig, da die Ausgangsspannung u ₃ den Gleichspannungsanteil u ₂ ebenso enthält wie die Signalspannung u ₁, so daß dieser durch die Differenzbildung an den Eingängen der Komparatoren 10, 11 aufgehoben wird und an deren Ausgängen nicht mehr erscheint.

Diese Ausgangsimpulse u ₄, u ₅ gelangen an den Setzeingang 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 u ₀ übereinstimmt und die zusätzlich in Abhängigkeit von der Richtung des Verlaufs dieser Wechselspannung u ₀ 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 Serienschaltung 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 Größenordnung der Frequenz der Signalspannung u ₁, wobei der in Serie zum Kondensator 7 angeordnete Widerstand 4 so dimensioniert 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 erfindunsgemäßen Schaltungsanordnung sind in Fig. 2 die sich an den entsprechend gekennzeichneten Stellen des Schaltbildes ergebenden Spannungsverläufe dargestellt.

Fig. 2a zeigt die aus der Wechselspannung u ₀ nach Fig. 2c und der schwankenden Gleichspannung u ₂ nach Fig. 2b zusammengesetzte Signalspannung u ₁.

Fig. 2d zeigt die am Ausgang des ersten Operationsverstärkers 2 stehende, den Komperatoren 10, 11 zugeführte Spannung u ₃, die aus dem verstärkten Wechselspannungsteil u ₀ · v und dem nicht verstärkten Gleichspannungsanteil u ₂ der Signalspannung u ₁ zusammengesetzt ist, sowie die ebenfalls den Komparatoren 10, 11 zum Vergleich mit der Spannung u ₃ zugeführten Spannungen u ₁ + U _z und u ₁ - U _z, die durch Vergrößern 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 entstehende 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 Differenzspannung 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 das Kreisen und Kreuzen gebildete 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 Differenzspannung u ₁ - U _z überschneiden kann, wie in Fig. 2d zu sehen ist, können die Komparatoren 10, 11 ihre Ausgangsspannungen 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

Schaltungsanordnung zum Verstärken und Umwandeln einer Signalspannung (u ₁), die aus der Summe einer Wechselspannung (u ₀) und einer schwankenden Gleichspannung (u ₂) besteht, in eine Rechteckspannung, wobei 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 invertierenden Eingang (+) des ersten Operationsverstärkers (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwei weitere als Kompensatoren (10, 11) arbeitende Operationsverstärker sowie ein bistabiler Multivibrator (12) vorgesehen sind, wobei der Ausgang des ersten Operationsverstärkers (2) mit dem nicht invertierenden Eingang (+) des ersten Komparators (10) und mit dem invertierenden Eingang (-) des zweiten Komparators (11) verbunden ist, wobei ferner der Ausgang der die Signalspannung (u ₁) liefernde 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 Komparators (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 Komparators (11) und über einen zweiten Vorwiderstand (16) mit dem negativen Anschluß der Versorgungsspannungsquelle verbunden ist, während der Setzeingang des bistabilen Multivibrators (12) an den Ausgang des einen und sein Rücksetzeingang an den Ausgang des anderen der beiden Komparatoren (10, 11) angeschlossen und an dem Ausgang des Multivibrators (12) die Rechteckspannung (u ₆) abnehmbar ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiefpaß (3, 4, 7) aus einem Längswiderstand (3) und einer parallel zum nicht invertierenden Eingang (+) des ersten Operationsverstärkers (2) angeordneten 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 Kondensator (7) angeordnete Widerstand (4) so dimensioniert ist, daß die Phasenverschiebung zwischen der Rechteckspannung (u ₆) und der Signalspannung (u ₁) möglichst klein, mindestens jedoch kleiner als 70° ist.