DE4232032A1 - Two-wire current loop circuit for measurement transducer - has two buffer amplifiers, differential amplifier, voltage limiter in fully integratable design - Google Patents
Two-wire current loop circuit for measurement transducer - has two buffer amplifiers, differential amplifier, voltage limiter in fully integratable designInfo
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- G01R17/16—AC or DC measuring bridges with discharge tubes or semiconductor devices in one or more arms of the bridge, e.g. voltmeter using a difference amplifier
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Stromschleifenschaltung.The invention relates to a current loop circuit.
Die meisten üblichen Meßwertaufnehmer erzeugen nur relativ ge ringe elektrische Signale. Daher ist es notwendig, diese Signale zu verstärken. Eine zu diesen Zweck vorgesehene Ver stärkerschaltung ist im allgemeinen möglichst nahe dem Meßwert aufnehmer angeordnet, um Störeinflüsse weitestgehend auszu schließen. Zudem wird üblicherweise eine Verstärkerschaltung mit Stromausgangsstufe verwendet, die eine Unabhängigkeit des Meßergebnisses von der Länge der Leitung zwischen Verstärker schaltung und Auswerteeinrichtung, beispielsweise einem Anzei geinstrument, gewährleistet. Als Eingangsstufe wird bevorzugt ein Elektrometersubtrahierer (Instrumentation Amplifier) vor gesehen, der einen für zahlreiche Anwendungsfälle erforderlichen symmetrischen, hochohmigen Eingang aufweist. Nachteilig ist jedoch, daß mindestens eine zusätzliche Leitung zur Stromver sorgung der Verstärkerschaltung benötigt wird.Most of the usual transducers only produce a relatively high level rings electrical signals. Therefore, it is necessary to do this Amplify signals. A Ver The amplifier circuit is generally as close as possible to the measured value transducers arranged to largely eliminate interference shut down. In addition, an amplifier circuit is usually used used with current output stage, the independence of Measurement result of the length of the line between the amplifier circuit and evaluation device, for example a display instrument, guaranteed. Preferred is the input stage an electrometer subtractor (Instrumentation Amplifier) seen the one required for numerous applications has symmetrical, high-impedance input. The disadvantage is however, that at least one additional line to Stromver supply of the amplifier circuit is required.
Aus National Semiconductor Corporation, Linear Data Book 1, 1988 Edition, Seite 5-60, ist beispielsweise eine Zweidraht- Stromschleifenschaltung zur Verstärkung eines von einem Meß wertaufnehmer abgegebenen Signals bekannt, die neben einem symmetrischen, hochohmigen Eingang einen Stromausgang aufweist. Zur Stromversorgung und Signalübertragung wird dabei insge samt nur eine Zweidraht-Leitung verwendet. Nachteilig ist allerdings, daß eine Reihe von Präzisionswiderständen sowie verschiedene Abgleichmöglichkeiten vorzusehen sind. Bei der In tegration der bekannten Stromschleifenschaltung sind daher ent weder zusätzliche externe Elemente notwendig oder es bedarf eines hohen zusätzlichen Schaltungsaufwands.From National Semiconductor Corporation, Linear Data Book 1, 1988 Edition, page 5-60, is for example a two-wire Current loop circuit for amplifying one of a measurement signal sensor known, in addition to a balanced, high-impedance input has a current output. For power supply and signal transmission is in total together with only one two-wire cable. The disadvantage is however, that a number of precision resistors as well Different adjustment options are to be provided. At the In tegration of the known current loop circuit are therefore ent neither additional external elements necessary or necessary a high additional circuit complexity.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine voll integrierbare Zweidraht- Stromschleifenschaltung anzugeben.The object of the invention is to provide a fully integrable two-wire Specify current loop circuit.
Diese Aufgabe wird durch eine Stromschleifenschaltung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.This task is accomplished by a current loop circuit Claim 1 solved.
Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand von Unteransprüchen.Refinements and developments of the inventive concept are the subject of subclaims.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Es zeigt:The invention is described below with reference to the figures of the Exemplary embodiments illustrated in the drawing, the same elements being provided with the same reference symbols are. It shows:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Stromschleifenschaltung, Fig. 1 shows a first embodiment of a current loop circuit according to the invention,
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Stromschleifenschaltung und Fig. 2 shows a second embodiment of a current loop circuit according to the invention and
Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Stromschleifenschaltung. Fig. 3 shows a third embodiment of a current loop circuit according to the invention.
Die erfindungsgemäße Stromschleifenschaltung nach Fig. 1 ent hält zwei aus jeweils einem rückgekoppelten Operationsverstärker OP1, OP2 bestehende Pufferverstärker, deren Versorgungsspan nungsanschlüsse an einen ersten und einen zweiten Knotenpunkt angeschlossen sind. Die Operationsverstärker OP1, OP2 sind jeweils über einen Widerstand R11, R10 zwischen Ausgangsanschluß und invertierenden Eingangsanschluß gegengekoppelt. Darüber hinaus ist zwischen die beiden invertierenden Eingangsanschlüs se der Operationsverstärker OP1, OP2 ein Widerstand R9 geschal tet. Die nichtinvertierenden Eingangsanschlüsse der beiden Operationsverstärker OP1, OP2 bilden die Eingangsanschlüsse der Pufferverstärker und sind jeweils mit einem Signalausgangsan schluß eines Meßwertaufnehmers MA verbunden. Der Meßwertauf nehmer MA besteht beispielsweise aus nicht näher bezeichneten Widerständen und Sensoren in Brückenschaltung. Zur Speisung der Brückenschaltung weist daher der Meßwertaufnehmer Versorgungs spannungsanschlüsse auf, die mit dem ersten und zweiten Knoten punkt verbunden sind. Der Meßwertaufnehmer MA bzw. die darin gegebenenfalls verwendeten Sensoren wandeln beliebige und daher bei den gezeigten Ausführungsbeispielen auch nicht näher bezeichnete physikalische Größen in elektrische Signale um.The current loop circuit according to the invention according to Fig. 1 holds two ent from each having a feedback operational amplifier OP1, OP2 existing buffer amplifier whose supply voltage clamping connections to a first and a second node are connected. The operational amplifiers OP1, OP2 are each coupled through a resistor R11, R10 between the output connection and the inverting input connection. In addition, a resistor R9 is switched between the two inverting input connections of the operational amplifier OP1, OP2. The non-inverting input connections of the two operational amplifiers OP1, OP2 form the input connections of the buffer amplifiers and are each connected to a signal output connection of a transducer MA. The Meßwertauf participants MA consists, for example, of resistors and sensors in bridge circuit, not specified. To supply the bridge circuit, the transducer therefore has supply voltage connections which are connected to the first and second node points. The measured value sensor MA or the sensors optionally used therein convert any physical quantities that are therefore not specified in the exemplary embodiments shown into electrical signals.
Die Ausgangsanschlüsse der beiden Operationsverstärker OP1, OP2 sind über jeweils einen Widerstand R1, R2 auf den invertieren den bzw. nichtinvertierenden Eingangsanschluß eines Operations verstärkers OP3 geführt. Der Operationsverstärker OP3 bildet einen Differenzverstärker, dessen Versorgungsspannungsanschlüs se an den ersten und den zweiten Knotenpunkt angeschlossen sind. Der Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers OP3 ist ebenso wie der invertierende Eingangsanschluß über jeweils einen Widerstand R4 bzw. R3 mit dem zweiten Knotenpunkt ver bunden. Der nichtinvertierende Eingangsanschluß des Operations verstärkers OP3 ist ebenso wie der zweite Knotenpunkt über jeweils einen Widerstand R5 bzw. R6 mit einem Leitungsanschluß L1 gekoppelt. Schließlich ist eine Spannungsbegrenzungsein richtung, beispielsweise eine Zenerdiode oder ein Spannungs regler vorgesehen, deren Eingangsanschluß mit einem weiteren Leitungsanschluß L2 und deren Ausgangsanschluß mit dem ersten Knotenpunkt verbunden ist. Der Bezugsanschluß der Spannungs begrenzungseinrichtung SB ist an den zweiten Knotenpunkt ange schlossen.The output connections of the two operational amplifiers OP1, OP2 are each via a resistor R1, R2 on the invert the or non-inverting input terminal of an operation amplifier OP3 led. The operational amplifier OP3 forms a differential amplifier, the supply voltage connections se connected to the first and second nodes are. The output terminal of the operational amplifier OP3 is just like the inverting input connection via each a resistor R4 or R3 with the second node ver bound. The non-inverting input port of the operation amplifier OP3 is just like the second node above each a resistor R5 or R6 with a line connection L1 coupled. Finally, there is a voltage limitation direction, for example a Zener diode or a voltage controller provided, the input connection with another Line connection L2 and its output connection with the first Node is connected. The reference terminal of the voltage limiting device SB is attached to the second node closed.
Die Leitungsanschlüsse L1, L2 sind über eine nicht dargestellte Zweidrahtleitung mit einer ebenfalls nicht dargestellten Speise- und Auswerteschaltung verbunden. Diese besteht im ein fachsten Fall aus einer Spannungsquelle und einer in Reihe dazu geschalteten Strommeßeinrichtung. Die Spannungsquelle, die Strommeßeinrichtung und die Stromschleifenschaltung bilden einen Stromkreis, wobei die Stromschleifenschaltung den in die sen Stromkreis fließenden Strom abhängig von einer externen, durch den Meßwertaufnehmer MA ermittelten physikalischen Größe abhängt. Durch die Gegenkopplung über den Widerstand R3 wird der Ausgangsstrom des Operationsverstärkers OP3 sowie der Eigenverbrauch der Operationsverstärker OP1, OP2, OP3 und des Meßwertaufnehmers MA erfaßt. Dabei werden die Widerstände R1, R2, R3, R5 möglichst hochohmig und mit einem möglichst kleinen Temperaturkoeffizienten ausgelegt.The line connections L1, L2 are not shown Two-wire line with a likewise not shown Feed and evaluation circuit connected. This consists of one The simplest case of one voltage source and one in series switched current measuring device. The voltage source that Form current measuring device and the current loop circuit a circuit, the current loop circuit in the current flowing depending on an external, physical quantity determined by the transducer MA depends. Due to the negative feedback via the resistor R3 the output current of the operational amplifier OP3 and the Own consumption of the operational amplifiers OP1, OP2, OP3 and des Sensor MA detects. The resistors R1, R2, R3, R5 with the highest possible resistance and with the smallest possible Temperature coefficient designed.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist gegenüber Fig. 1 da hingehend abgeändert, daß eine Strommeßeinrichtung SM zwischen den Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers OP2 und den Widerstand R2 geschaltet ist. Die Strommeßeinrichtung SM er mittelt den durch den Widerstand R2 fließenden Strom und steuert davon abhängig eine Stromquelle SQ, die zwischen den ersten Knotenpunkt einerseits und den Widerstand R3 und einen Widerstand R7 andererseits geschaltet ist. Der Wider stand R7 ist zudem an dem zweiten Knotenpunkt angeschlossen. Somit wird auch der durch den Widerstand R2 fließende Strom aufgrund des Spannungsabfalls an den Widerständen R7 und R6 durch die Gegenkopplung erfaßt. Bei ansonsten gleicher Dimen sionierung wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ergeben sich gleiche Widerstandswerte für die Widerstände R1 und R6, der Wert des Widerstands 7 spielt keine Rolle und wird nur bei Verwendung von Operationsverstärkern, deren Ausgang nicht "ground compatible" sind, benötigt.The embodiment according to FIG. 2 has been modified compared to FIG. 1 in that a current measuring device SM is connected between the output terminal of the operational amplifier OP2 and the resistor R2. The current measuring device SM determines the current flowing through the resistor R2 and, as a function thereof, controls a current source SQ which is connected between the first node on the one hand and the resistor R3 and a resistor R7 on the other hand. The resistor R7 is also connected to the second node. Thus, the current flowing through resistor R2 is also detected by the negative feedback due to the voltage drop across resistors R7 and R6. With otherwise the same dimensioning as in the exemplary embodiment according to FIG. 1, the same resistance values result for the resistors R1 and R6, the value of the resistor 7 is irrelevant and is only required when using operational amplifiers whose output is not "ground compatible".
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist die Strommeßein richtung SM des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2 näher ausge führt. Die Strommeßeinrichtung SM besteht dabei aus einem npn- Transistor T1, dessen Basisanschluß mit dem Signalausgangsan schluß des Operationsverstärkers OP2 und dessen Emitteranschluß mit dem Widerstand R2 verbunden ist. Ein npn-Transistor T2 ist über seinen Kollektoranschluß mit dem Kollektoranschluß des Transistors T1 und über seinen Emitteranschluß mit dem ersten Knotenpunkt gekoppelt. Ein weiterer pnp-Transistor T3 ist über seinen Basisanschluß mit den Kollektoranschlüssen der Transis toren T1 und T2 sowie über seinen Kollektoranschluß mit dem zweiten Knotenpunkt verschaltet. Schließlich ist ein pnp-Tran sistor T4 vorgesehen, dessen Emitteranschluß mit dem ersten Knotenpunkt und dessen Kollektoranschluß mit dem Steuereingang der Stromquelle SQ verbunden ist. Zwischen den ersten Knoten punkt einerseits und den Basisanschluß des Transistors T2, den Emitteranschluß des Transistors T3 sowie den Basisanschluß des Transistors T4 andererseits ist ein Widerstand R8 geschaltet.In the embodiment shown in FIG. 3, the Strommeßein direction SM of the embodiment shown in FIG. 2 leads out. The current measuring device SM consists of an npn transistor T1, the base connection of which is connected to the signal output terminal of the operational amplifier OP2 and the emitter connection of which is connected to the resistor R2. An npn transistor T2 is coupled via its collector connection to the collector connection of transistor T1 and via its emitter connection to the first node. Another pnp transistor T3 is connected via its base connection to the collector connections of the transistors T1 and T2 and via its collector connection to the second node. Finally, a pnp transistor T4 is provided, the emitter connection of which is connected to the first node and the collector connection of which is connected to the control input of the current source SQ. A resistor R8 is connected between the first node on the one hand and the base connection of the transistor T2, the emitter connection of the transistor T3 and the base connection of the transistor T4 on the other hand.
Schließlich ist ein npn-Transistors T5 über seinen Kollektor anschluß mit dem ersten Knotenpunkt und über seinen Basis anschluß mit dem Basisanschluß des Transistors T1 verbunden. Sein Emitteranschluß ist als Rückkopplungsausgang vorgesehen und deshalb anstelle des Signalausgangsanschlusses des Opera tionsverstärkers OP2 mit dem Widerstand R10 verbunden.Finally, an NPN transistor T5 is across its collector connection with the first node and over its base terminal connected to the base terminal of transistor T1. Its emitter connection is provided as a feedback output and therefore instead of the signal output connection of the Opera tion amplifier OP2 connected to the resistor R10.
Vorteilhaft gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 1 ist bei den Ausführungsformen nach Fig. 2 und 3, daß alle Widerstände niederohmiger ausgelegt werden können, was insbesondere bei einer Integration in Bipolartechnik von Bedeutung ist, und daß deren Temperaturkoeffizienten im wesentlichen keinen Einfluß haben.An advantage over the embodiment according to FIG. 1 in the embodiments according to FIGS. 2 and 3 is that all resistors can be designed with a lower resistance, which is particularly important for integration into bipolar technology, and that their temperature coefficients have essentially no influence.
Erfindungsgemäße Stromschleifenschaltungen zeichnen sich insge samt neben einer vollständigen Integrierbarkeit vor allem durch eine hohe Genauigkeit bei geringem schaltungstechnischen Auf wand aus. Vorteilhaft ist insbesondere, daß eine hohe absolute Genauigkeit im wesentlichen durch die relative Genauigkeit zweier Bauelemente zueinander erzielt wird. Eine relative Ge nauigkeit zweier Bauelemente ist bei integrierter Schaltungs technik mit wesentlich weniger Aufwand zu erzielen als eine hohe absolute Genauigkeit.Current loop circuits according to the invention are distinguished along with complete integration, especially through a high level of accuracy with a low level of circuitry wall out. It is particularly advantageous that a high absolute Accuracy essentially through the relative accuracy two components to each other is achieved. A relative ge accuracy of two components is with integrated circuit to achieve technology with much less effort than one high absolute accuracy.
Claims (5)
mit einem Differenzverstärker (OP3), dessen Versorgungsspan nungsanschlüsse an den ersten und den zweiten Knotenpunkt an geschlossen sind,
mit einem ersten und einem zweiten Widerstand (R1, R2), die jeweils zwischen die Ausgangsanschlüsse der Pufferverstärker (OP1, OP2, R9, R10, R11) und die Eingangsanschlüsse des Differenzverstärkers (OP3) geschaltet sind,
mit einem dritten und vierten Widerstand (R3, R4), die jeweils zwischen den zweiten Knotenpunkt und den einen Eingangsan schluß bzw. den Ausgangsanschluß des Differenzverstärkers (OP3) geschaltet sind,
mit einem fünften und sechsten Widerstand (R5, R6), die jeweils zwischen einen ersten Leitungsanschluß (L1) und den anderen Eingangsanschluß des Differenzverstärkers (OP3) bzw. den zwei ten Knotenpunkt geschaltet sind, und
mit einer Spannungsbegrenzungseinrichtung (SB), deren Eingangs anschluß mit dem anderen Leitungsanschluß (L2) und deren Aus gangsanschluß mit dem ersten Knotenpunkt verbunden ist sowie deren Bezugsanschluß mit dem zweiten Knotenpunkt gekoppelt ist.1. current loop circuit with a first and a second buffer amplifier (OP1, OP2, R9, R10, R11), the supply voltage connections of which are connected to a first and a second node, and whose input connections are each connected to a signal output connection of a sensor (MA),
with a differential amplifier (OP3), the supply voltage connections of which are connected to the first and the second node,
with a first and a second resistor (R1, R2), each connected between the output connections of the buffer amplifiers (OP1, OP2, R9, R10, R11) and the input connections of the differential amplifier (OP3),
with a third and fourth resistor (R3, R4), each of which is connected between the second node and the one input terminal and the output terminal of the differential amplifier (OP3),
with a fifth and sixth resistor (R5, R6), each of which is connected between a first line terminal (L1) and the other input terminal of the differential amplifier (OP3) or the second node, and
with a voltage limiting device (SB), whose input connection is connected to the other line connection (L2) and whose output connection is connected to the first node, and whose reference connection is coupled to the second node.
einen siebten Widerstand (RT), der zwischen den zweiten Knoten punkt einerseits und den dritten Widerstand (R3) andererseits geschaltet ist,
durch eine Strommeßeinrichtung (SM), die den durch den zweiten Widerstand (R2) fließenden Strom ermittelt,
und durch eine steuerbare Stromquelle (SQ), die zwischen den ersten Knotenpunkt einerseits und den dritten und siebten Widerstand (R3, R7) andererseits geschaltet ist und die abhängig von dem von der Meßeinrichtung (SM) ermittelten Strom gesteuert wird.2. Current loop circuit according to claim 1, characterized by
a seventh resistor (RT) connected between the second node on the one hand and the third resistor (R3) on the other,
by a current measuring device (SM), which determines the current flowing through the second resistor (R2),
and by a controllable current source (SQ) which is connected between the first node on the one hand and the third and seventh resistor (R3, R7) on the other and which is controlled as a function of the current determined by the measuring device (SM).
eine Strommeßeinrichtung bestehend aus einem ersten Transistor (T1) des einen Leitungstyps, dessen Basisanschluß mit dem Signalausgangsanschluß eines der beiden Pufferverstärker (OP2, R10, R9) und dessen Emitteranschluß mit dem zweiten Widerstand (R2) verbunden ist,
aus einem zweiten Transistor (T2) des anderen Leitungstyps, dessen Kollektoranschluß mit dem Kollektoranschluß des ersten Transistors (T1) und dessen Emitteranschluß mit dem ersten Knotenpunkt verbunden ist, aus einem dritten Transistor (T3) des anderen Leitungstyps, dessen Basisanschluß mit dem Kol lektoranschluß des ersten Transistors (T1) und dessen Kollek toranschluß mit dem zweiten Knotenpunkt verbunden ist, aus einem vierten Transistor (T4) des anderen Leitungstyps, dessen Emitteranschluß mit dem ersten Knotenpunkt und dessen Kollektor anschluß mit dem Steuereingang der steuerbaren Stromquelle (SQ) verbunden ist und aus einem achten Widerstand (R8), der zwi schen den ersten Knotenpunkt einerseits und den Basisanschluß des zweiten Transistors (T2), den Emitteranschluß des dritten Transistors (T3) sowie dem Basisanschluß des vierten Tran sistors (T4) andererseits geschaltet ist.3. Current loop circuit according to claim 2, characterized by
a current measuring device consisting of a first transistor (T1) of the one line type, the base connection of which is connected to the signal output connection of one of the two buffer amplifiers (OP2, R10, R9) and the emitter connection of which is connected to the second resistor (R2),
from a second transistor (T2) of the other conduction type, the collector connection of which is connected to the collector connection of the first transistor (T1) and the emitter connection of which is connected to the first node, of a third transistor (T3) of the other conduction type, the base connection of which is connected to the collector terminal of the first transistor (T1) and its collector gate connection is connected to the second node, from a fourth transistor (T4) of the other conduction type, whose emitter connection is connected to the first node and whose collector connection is connected to the control input of the controllable current source (SQ) and off an eighth resistor (R8) which is connected between the first node on the one hand and the base connection of the second transistor (T2), the emitter connection of the third transistor (T3) and the base connection of the fourth transistor (T4) on the other hand.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19924232032 DE4232032A1 (en) | 1991-09-25 | 1992-09-24 | Two-wire current loop circuit for measurement transducer - has two buffer amplifiers, differential amplifier, voltage limiter in fully integratable design |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE4131945 | 1991-09-25 | ||
| DE19924232032 DE4232032A1 (en) | 1991-09-25 | 1992-09-24 | Two-wire current loop circuit for measurement transducer - has two buffer amplifiers, differential amplifier, voltage limiter in fully integratable design |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE4232032A1 true DE4232032A1 (en) | 1993-04-01 |
Family
ID=25907700
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19924232032 Withdrawn DE4232032A1 (en) | 1991-09-25 | 1992-09-24 | Two-wire current loop circuit for measurement transducer - has two buffer amplifiers, differential amplifier, voltage limiter in fully integratable design |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE4232032A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0760936B2 (en) † | 1994-05-17 | 2005-03-16 | HBM Wägetechnik GmbH | Strain gauge sensor and modulation amplifier for bridge circuits |
-
1992
- 1992-09-24 DE DE19924232032 patent/DE4232032A1/en not_active Withdrawn
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0760936B2 (en) † | 1994-05-17 | 2005-03-16 | HBM Wägetechnik GmbH | Strain gauge sensor and modulation amplifier for bridge circuits |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| 8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |