NL8303383A

NL8303383A - Compensatiewerkwijze en -inrichting voor een rc-verzwakker.

Info

Publication number: NL8303383A
Application number: NL8303383A
Authority: NL
Original assignee: Tektronix Inc
Priority date: 1982-10-04
Filing date: 1983-10-03
Publication date: 1984-05-01
Also published as: GB8325486D0; GB2130038A; FR2534090A1; DE3335868A1; DE3335868C2; JPH0137044B2; GB2130038B; JPS5986322A; FR2534090B1; NL187880B; US4507618A; CA1203295A; NL187880C

Description

* » * \ -- 833118/

Korte aanduiding: Compensatiewerkwijze en -inrichting voor een EC-verzwakker.

De uitvinding heeft in het algemeen betrekking op een brede-band BC-verzwakker en in het bijzonder op een compensatiewerkwijze en -inrichting voor een dergelijke verzwakker.

Een EC-verzwakker, omvattende serie- en shuntweerstanden 5 met parallel aan elk daarvan een condensator tussen ingangs- en uitgangsklemmen, wordt vaak toegepast ter verkrijging van een ge-^ wenste signaalverzwakking over een breed frekwentiegebied. Een zo danige RC-verzwakker is in het bijzonder nuttig voor de ingangs-keten van elektrische test- en meetinstrumenten zoals bijvoorbeeld 10 oscilloscoops, digitale spanningsmeters etc., voor het minimaliseren van het belastingseffekt voor de te meten signaalbron.

Een typisch voorbeeld van EC-verzwakkers met hoge impedantie is in fig. 1 getoond en omvat L-vormige takken met weerstanden E^,

Eg en condensators , Cg die verbonden zijn tussen ingangsklemmen 15 10a - 10b en uitgangsklemmen 12a - 12b. De verzwakkingsfaktor ATT

wordt gegeven door de volgende uitdrukking: H2 _ Z2 1 + s2 , , m=Z + Z- * iTj " ËT“ = 1 + jwCgEg .....(1) 20 1 + jwC1E1 1 + jwCgEg 1 + jwC1E1 E^ + E2

Aangenomen dat C.jR.j= CgRg * Ean za^ (1) worden: ATT = Eg H1 + E2 .....

25

De uitdrukkingen (1) en (2) suggereren dat de verzwakkingsfaktor ATT onafhankelijk van de frekwentie is indien C^E^ = CgRg en alleen door de weerstanden E1 en Eg bepaald wordt. De in fig. 2 getoonde golfvormen (A) t/m (D) dienen voor het gemakkelijker be-30 grijpen van de verzwakker van fig. 1, waarbij golfvorm (A) een aan de ingangsklemmen 10a - 10b gelegd ingangskloksignaal is, en de golvormen (B) t/m (D) uitgangsgolfvormen van de uitgangsklemmen 12a - 12b zijn. De uitgangsklem zal de golfvorm (B) hebben wanneer de variabele condensator ingesteld is om te voldoen aan de voor-35 waarde E^C^ = RgCg voor v^^^e frekwentieresponsie over een y auiniiim· i - 2 - 1 ' t breed frekwentiegebied, of golfvorm (C) wanneer C ^2 1 ~ C„ (overcompensatie), of golfvorm (B) wanneer c 5 °1 ^0 1 E1 °2 ·

Yoor nauwkeurige meting of verzwakking van het ingangssignaal over een breed frekwentiegebied en voor verschillende golf-

R

vormen moet de condensator CL zo ingesteld zijn dat CL = 2 n .

10 E1 2 Een bekende techniek om te voldoen aan R.^ = R2C2 om een va” riabele condensator voor of Cg te gebruiken en het met de hand zo in te stellen dat het juiste rechthoekige uitgangssignaal aan de uitgangsklemmen 12a - 12b als getoond met golfvorm (B) in fig. 2 15 gereproduceerd wordt. Wanneer groter is dan de juiste capaciteit treden scherpe flanken op bij de overgangen van de rechthoekige golfvorm als getoond in fig. 2 met golfvorm (C), wat betekent, dat hogere frekwentiecomponenten van het ingangssignaal minder verzwakt * worden dan gelijkstroom en lagere frekwentiecomponenten. Anderzijds 20 toont (B) de toestand waarbij kleiner is dan de juiste capaciteit waarbij hogere frekwentiecomponenten verloren raken, waardoor geen nauwkeurige reproduktie van de rechthoekige ingangsgolfvorm verkregen wordt.

Er zijn bepaalde gevallen waarbij handbediende instelling 25 van een dergelijke verzwakkercondensator onmogelijk, moeilijk of onpraktisch is. Bit kan bijvoorbeeld het geval zijn wanneer de in-gangsspanning zeer hoog is of wanneer er geen toegang tot een dergelijke condensator is als gevolg van een fysieke begrenzing van de apparatuur waarin de verzwakker is toegepast. Instelbare condensa-50 tors met hoge doorslagspanningen van 500 V of meer zijn moeilijk te fabriceren en zeer duur. Bovendien kunnen instelbare condensators leiden aan variatie in hun elektrische eigenschappen bij gebruik in een omgeving met hoge temperatuur of hoge vochtigheid. Yerder zijn zij niet geschikt voor gebruik voor afstandbesturing of automa-35 tische besturing met behulp van een microprocessor of een reken-tuig.

Teneinde de genoemde bezwaren van de bekende met de hand - 5 - 1 * # -· instelbare RC-verzwakkers op te heffen, worden hij de verzwakker volgens de uitvinding vaste weerstanden gebruikt met parallel daaraan vaste condensators, die fysieke componenten of parasitaire capaciteiten kunnen zijn. Elke onjuiste frekwentieresponsie van een 5 dergelijke vaste verzwakker wordt gedetecteerd aan de uitgang van de verzwakker en elektrisch gecompenseerd. De fout wordt veroorzaakt door geringe misaanpassing in de elektrische waarde van de weerstanden en condensators en de ingangscapaciteit van de belasting die met de uitgangsklemmen 12a - 12b van de verzwakker verbon-10 den moet worden.

Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding worden de hoogfrekwent componenten van het uitgangssignaal van de verzwakker tot een kontroleerbare amplitude en polariteit versterkt en gekombineerd met het uitgangssignaal van de verzwakker voor het 15 vereffenen van de verzwakkingsfaktoren voor zowel lage als hoge frekwentie componenten van het ingangssignaal, waarbij effektief een vlakke frekwentieresponsie over een breed frekwentiebereik verkregen wordt. Bij voorkeur kan een vier-quadrant vermenigvuldiger gebruikt worden voor een dergelijke compensatie. De versterking 20 en polariteit van een dergelijke vermenigvuldiger kan bij voorkeur bestuurd worden door middel van een microcomputer of een andere gastheereomputer.

Het is daarom een doel van de uitvinding te voorzien in een RO-verzwakker met een hoge impedantie die werkzaam is in een brede 25 frekwentieband en waarin vaste weerstanden en vaste condensators toegepast zijn.

Een ander doel van de uitvinding is te voorzien in een RC-verzwakker welke geschikt is voor automatische instelling van de frekwentieresponsie.

30 Een ander doel van de uitvinding is te voorzien in een RC- verzwakker met een hoge impedantie welke geschikt is voor afstands-besturing van haar frekwentieresponsie.

Een ander doel van de uitvinding is te voorzien in een verbeterde werkwijze voor het compenseren van een RC-verzwakker waarin 35 vaste weerstanden en condensators gebruikt zijn.

De uitvinding beoogt ook een werkwijze voor het digitaal compenseren van een RC-verzwakker te verschaffen.

* * - 4 -

Een ander oogmerk van de uitvinding is het voorzien in een RC-verzwakker voor elektrische meetinstrumenten zoals oscilloscopen digitale spanningsmeters (DTMs), digitale multimeters (DMMs), fre-kwentietellers etc.

5 De uitvinding wordt toegelicht aan de hand van de tekening.

In de tekening toont:

Pig. 1 een "bekende RC-verzwakker met hoge impedantie;

Pig. 2 een aantal golfvormen ter toelichting van de werking van de RO-verzwakker van fig. 1; 10 Pig. 3 een vereenvoudigd schema van een keten dat het prin cipe van de uitvinding illustreert;

Pig. 4 het concept van een digitaal bestuurde compensatie-keten van een verzwakker volgens de uitvinding;

Pig. 5 een andere uitvoeringsvorm van -een compensatieketen 15 voor een verzwakker met hoge impedantie; en

Pig. 6 nog een andere uitvoeringsvorm van een compensatieketen voor een verzwakker met hoge impedantie.

Volgens de uitvinding wordt het gebruik voorgesteld van vaste weerstanden die in serie en parallel ten opzichte van de 20 signaalweg verbonden zijn en vaste condensators, als fysische componenten of parasitaire capaciteiten, die parallel aan de weerstanden verbonden zijn. Voor nauwkeurige compensatie van RC-produk-ten van de serie- en shuntwegen van een dergelijke vaste RC-verzwak-ker, is voorzien in een polariteitversterker met variabele verster-25 kingsfaktor voor het versterken van het uitgangssignaal van de verzwakker voor het verhogen of verlagen van de hoogfrekwent componenten. Dit betekent, dat, als getoond in fig. 5» de RC-verzwakker 14 gelijk is aan de bekende verzwakker met uitzondering dat de beide condensators en Cg vast zijn in plaats van instelbaar. Er dient 30 opgemerkt te worden, dat de condensatör Cg de ijjigangscapaciteit van de met de verzwakker 14 verbonden belasting omvat. Het uitgangssignaal van de verzwakker 14 wordt direkt gekoppeld naar de ingang van een bufferversterker 16 met een hoge ingangsimpedantie maar met een lage uitgangsimpedantie. Benevens naar de eerste sig-35 naalweg wordt het uitgangssignaal van de verzwakker 14 naar een versterker 18 met variabele versterkingsfaktor/polariteit geleid, van welke versterker de amplitude en de polariteit van het uit- - 5 - k 4 gangssignaal ten opzichte van het ingangssignaal ervan te besturen zijn onder besturing van de besturingsketen 20. Het uitgangssignaal van de versterker 18 is via een koppelcondensator 22 met kleine capaciteit voor wisselstroom gekoppeld met de ingang van de buffer-5 versterker 16.

Tijdens bedrijf dient het naar de ingangsklem 10 en door de vaste EC-verzwakker 14 gevoerde ingangssignaal een verzwakte uit-gangsspanning over de weerstand Eg en condensator Cg te leveren. De verzwakkingsfaktor van de verzwakker 14 kan 100x zijn, waarbij E^ 10 990 kJfhis en Eg 10 kJ3-is, Zowel de gelijkstroom- als wisselstroom-componenten van een dergelijk uitgangssignaal worden naar de buffer-versterker 16 gevoerd. De capacitieve verzwakker en Cg kan echter niet juist gecompenseerd zijn, waardoor een lagere of hogere verzwakkingsfaktor dan de weerstandsverzwakker E^, Eg geleverd wordt.

15' De extra signaalweg met de versterker 18, de besturingsketen 20 en de koppelcondensator 22 levert hoogfrekwent componenten waarvan het uitgangssignaal van de verzwakker in toevoegende of aftrekkende fase ten opzichte van het direkt via de eerste signaalweg naar de bufferversterker 16 gevoerde signaal. In deze ketenopstelling funk-* 20 tioneert de condensator 22 als een Miller-condensator, die de neiging heeft de waarde van Cg te verhogen of te verlagen in afhankelijkheid van de versterkingsfaktor van de versterker 18 en de verhouding van de capaciteit van de condensators 22 en Cg. Omdat de extra signaalweg dient voor het toevoegen of aftrekken van alleen 25 hoogfrekwent componenten van het uitgangssignaal van de verzwakker, kan de condensator 22 als alternatief verbonden worden met de in-gangszijde van de versterker in plaats van met de uitgangszijde of zelfs, indien nodig, met beide zijden.

Compensatie van de verzwakker 14 kan op verschillende manie-30 ren uitgevoerd worden voor nauwkeurigscompensatie van de ruw gecompenseerde EC-verzwakker 14. De gelijkstroom-verzwakkingsverhouding van de verzwakker 14 wordt normaal vooraf bepaald (bijvoorbeeld 100:1) en behoeft niet geverifieerd te worden. Daarvoor wordt een hoogfrekwent signaal met bekende amplitude (bijvoorbeeld 100 V) f 35 aangelegd en de spanning wordt door middel van de met de uitgangs-klem 12 verbonden DVM gemeten. De besturingsketen 20 bestuurt de versterkingsfaktor en polariteit van de versterker 18 met bestuurbare • ..............''Mli[lltg!

*V

-6-

* 1 I

{ versterkingsfaktor/polariteit, zodat de DYM metingen de beoogde waarde tonen (bijvoorbeeld 1,0 Y). Vanneer een fout gedetecteerd wordt, levert de besturingsketen 20 de benodigde compensatie voor het korrigeren van het uitgangssignaal. De besturingsketen 20 kan 5 een gelijkspanning van een handbesturingseenheid zijn of een digitaal woord vanaf een ingebouwde microprocessor of externe gastheer-computer.

Yoor het bereiken van een hogere graad van overeenstemming van de laagfrekwent ver zwakker en Rg met de hoogfrekwent verzwak-10 ker en Cg wordt een bekende gelijkspanning eerst aan de ingangs-klem 10 gelegd en door de met de uitgangsklem 12 verbonden DYM gemeten. Dan wordt een hoogfrekwent signaal met dezelfde amplitude aangelegd en door de DYM gemeten. Door vergelijking van de twee metingen funktioneert de besturingsketen 20 voor het vereffenen van 15 de tweede meting van de eerste meting en compenseert daarbij de ver-zwakker 14 over een breed frekwentiegebied.

Een andere alternatieve werkwijze voor het compenseren van de verzwakker 14 betreft het gebruik van een signaal bemonsterings-techniek. Een rechthoekpuls met iedere gewenste amplitude wordt aan 20 de ingangsklem 10 gelegd en de momentane signaalamplituden onmiddellijk na en voor opvolgende pulsovergangen worden bemonsterd en in een geheugen opgeslagen. Op gelijke wijze wordt de besturings-. keten 20 geaktiveerd voor het zodanig regelen van de hoogfrekwent amplitude dat de twee opgeslagen monsters vereffend worden.

25 Eig. 4 toont een voorkeursuitvoeringsvorm van digitale com pensatie van een RC-verzwakker volgens de uitvinding. Het uitgangssignaal van de ruw ingestelde verzwakker 14 wordt direkt gekoppeld naar de bufferversterker 16 via een hoofdsignaalweg, terwijl de tweede compensatiesignaalweg een andere, met de verzwakkeruitgang 30 verbonden, bufferversterker 24 omvat. Met de uitgang van de bufferversterker 24 is een vermenigvuldiger 26 verbonden, die bij voorkeur een vier-quadrant vermenigvuldiger is, zoals die welke is beschreven in het Amerikaanse octrooischrift 3.689.752 op naam van Barrie Gilbert, en welke algemeen bekend is als Gilbert-vermenig-35 vuldiger, in verband met haar lineairiteit en stabiliteit bij verschillende temperaturen. Elke andere bekende vier-quadrant vermenigvuldiger of versterker met regelbare versterkingsfaktor/polari- * * - 7 - text kan als vermenigvuldiger 26 gebruikt worden. Een ander ingangssignaal naar de vermenigvuldiger 26 is een gelijkstroomsignaal vanaf de digitale besturing 28 zoals een microprocessor of een computer. Een digitaal woord vanaf de digitale besturing 28 wordt naar 5 een andere ingang van de vermenigvuldiger 26 gevoerd via geprogrammeerde weerstanden R, 2R, 4Rf 8R en 16R,

Aangenomen dat de digitale besturing 28 een vijf-bit digitaal woord levert, waarvan het minst significante bit (LSB) met weerstand 16R gekoppeld is en het meest significante bit (MSB) met de weer-10 stand R gekoppeld is, is het bekend dat de versterkingsfaktor van de vermenigvuldiger 26 nul is wanneer het digitale woord 10000 is.

De versterkingsfaktor neemt toe wanneer het digitale woord boven of onder 10000 komt, maar de polariteit van het uitgangssignaal van de vermenigvuldiger 26 keert om, dat wil zeggen dat de polariteit 15 respektievelijk positief en negatief is wanneer het woord boven of onder 10000 komt. Een groter digitaal woord dan vijf bit kan gebruikt worden voor nauwkeuriger compensatie van de verzwakker 14·

De compensatieprocedure kan elk van de hiervoor genoemde technieken zijn. Deze compensatie is in het bijzonder nuttig omdat een micro-20 processor of computer tijdrovende handarbeid vervangt, zodat de kosten verlaagd worden, en de eigenschappen van vele produkten die een RO-verzwakker met hoge impedantie gebruiken verbeterd worden.

Hoewel de uitvoeringsvorm van fig. 4 ia vele opzichten van voordeel is, kan compensatie van de ruw ingestelde RC-verzwakker 25 op alternatieve manieren gerealiseerd worden, bijvoorbeeld als getoond in de figuren 5 en 6. Bij de uitvoeringsvorm van fig. 5 is de uitgang van de verzwakker verbonden met een bufferversterker 30, die een bron volger EET ingangsversterkertrap gevolgd door een emitter-volgerversterker kan omvatten. Het uitgangssignaal van de buffer-30 versterker 30 wordt zowel naar een sommeerversterker 32 als naar een vermenigvuldiger 26' gevoerd, welke vermenigvuldiger 26' gelijk kan zijn als de vier-quadrant vermenigvuldiger 26 van fig. 4. De versterkingsfaktor en polariteit van de vermenigvuldiger 26' zijn onder besturing van het gelijkstroom besturingssignaal vanaf de be-55 sturingsketen 20*, waardoor hoogfrekwent componenten van het signaal naar de sommeerversterker 32 via de koppelcondensator 22 gevoerd worden voor het verhogen of verlagen van de direkt naar de ” Λ - 8 - % » * · * ( sommeerversterker 32 gevoerde hoogfrekwent componenten. De bestu-ringsketen 20* kan met de hand of automatisch ingesteld worden.

Fig. 6 verschilt van fig. 5 doordat het uitgangssignaal van de verzwakker naar een fase-omkeerversterker 34 met hoge ingangs-5 impedantie en gedeeltelijk dienend als bufferversterker gevoerd wordt, De niet-omkerende uitgang van de versterker 34 is direkt verbonden met de sommeerversterker 32 en de omkerende uitgang is daarmee verbonden via een versterkingsfaktor/polariteit besturings-potentiometer 36 en koppelcondensator 22. Er dient opgemerkt te 10 worden, dat de hoogfrekwent component via de koppelcondensator 22 nul is ijj het middelpunt van de loper van de potentiometer 36 maar in fase/uit fase toeneemt wanneer de loper vanaf dat punt verplaatst wordt. De twee signaalwegen naar de sommeerversterker 32 zijn in hoofdzaak gelijk in deze uitvoeringsvorm en zijn daarbij toepasbaar 15 voor een brede-bandverzwakkerketen.

De bestuurbare versterker kan elke bekende versterker met vaste polariteit (omkerend of niet-omkerend) zijn wanneer de tweede condensator Cg van de RC-verzwakker voldoende groter of kleiner dan de nominale waarde gekozen wordt.

Λ

Claims

1. Compensatie-inrichting voor een ver zwakker, gekenmerkt, door een ruw Ingestelde SC-verzwakker omvattende vaste weerstanden en parallel aan de weerstanden verbonden vaste condensators, ketenmiddelen voor het versterken van hoogfrekwent compo- 5 nenten van het uitgangssignaal van de verzwakker met bestuurbare versterkingsfaktor, en sommeermiddelen voor het sommeren van de uitgangssignalen van de verzwakker en van de ketenmiddelen.

2. Compensatie-inrichting voor een verzwakker volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de ketenmiddelen een vier-qua-10 drant vermenigvuldiger omvatten.

3. Compensatie-inrichting voor een verzwakker volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de vier-quadrant vermenigvuldiger een Gilbert vermenigvuldiger is.

4. Compensatie-inrichting voor een verzwakker volgens conclusie 15 1,met het kenmerk, dat de sommeermiddelen een buffer- versterker omvatten en de ketenmiddelen een vier-quadrant vermenigvuldiger voor het Vermenigvuldigen van het uitgangssignaal van een andere met de uitgang van de verzwakker verbonden bufferversterker met een regelbare gelijkspanning heeft voor het leveren van het 20 vermenigvuldigde uitgangssignaal via een koppelcondensator naar de bufferversterker van de sommeermiddelen.

5. Compensatie-inrichting voor een verzwakker volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de regelbare gelijkspanning geleverd wordt door een digitaal/analoogomzetting van een digitaal 25 woord afkomstig van een microprocessor.

6. Compensatie-inrichting voor een verzwakker volgens conclusie 1, gekenmerkt, door een met de uitgang van de verzwakker verbonden bufferversterker.

7. Compensatie-inrichting voor een verzwakker volgens conclusie 30 1,met het kenmerk, dat de ketenmiddelen een met de uitgang van de verzwakker verbonden versterker voor het verschaffen van een balansuitgang en besturingsmiddelen voor het verkrijgen van de som van het balansuitgangssignaal in verschillende verhoudingen heeft.

8. EC-verzwakker, gekenmerkt, door eerste en tweede - 10 - I 1 ί β ’ 4 t1·» i weerstanden, die in serie en shuntrelatie tussen ingangsklemmen respektievelijk uitgangsklemmen verbonden zijn en vaste eerste en tweede condensators, die respektievelijk parallel aan de eerste en tweede weerstanden verbonden zijn voor ruwe frekwentie compensatie, 5 een derde condensator waarvan een klem verbonden is met de uitgangskl em, en een vermenigvuldiger voor het vermenigvuldigen van het uitgangssignaal van de RC-verzwakker en een regelbare gelijkspanning voor het leveren van het uitgangssignaal aan het andere einde van de derde condensator· 10

9· RC-verzwakker volgens conclusie 8, met het ken merk, dat de vermenigvuldiger een vier-quadrant vermenigvuldiger is.

10. RC-verzwakker volgens conclusie 8, met het ken merk, dat de regelbare gelijkspanning met de hand te regelen is.

11. RC-verzwakker volgens conclusie 8, met het ken merk, dat de regelbare gelijkspanning een in een analoge waarde omgezet digitaal woord afkomstig van een microprocessor is.

12. Digitale compensatieketen voor een verzwakker gekenmerkt, door een ruw gecompenseerde RC-verzwakker omvattende 20 vaste weerstanden en vaste condensators, die laag- en hoogfrekwent verzwakkers vormen, een sommeerversterker voor het versterken van het uitgangssignaal van de RC-verzwakker, en een vermenigvuldiger voor het leveren van de hoogfrekwent componenten in het uitgangssignaal van de RC-verzwakker met regelbare versterkingsfaktor en 25 polariteit in responsie op een digitaal woord afkomstig van een digitale besturing.

13. Compensatiewerkwijze voor een RC-verzwakker bestaande uit vaste weerstanden en vaste condensators, gekenmerkt, door het vergelijken van de verzwakkingsverhoudlngen van de verzwakker 30 voor laag- en hoogfrekwent ingangssignalen, en het verhogen of verlagen van de verzwakkingsverhouding voor het hoogfrekwent ingangssignaal totdat de twee verzwakkingsverhoudingen vereffend zijn door het optellen of aftrekken van de hoogfrekwent componenten aan het uitgangssignaal van de verzwakker.

14. Compensatiewerkwijze voor een RC-verzwakker volgens conclu sie 13,met het kenmerk, dat het verhogen of verlagen van de verzwakkingsverhouding voor het hoogfrekwent signaal -11- 1 - < At -. uitgevoerd wordt door het op zodanige wijze toevoeren van een digitaal woord aan een vier-quadrant vermenigvuldiger dat het verschil in de hoogfrekwent verzwakkingsverhouding de laagfrekwent verzwak-kingsverhouding nadert. 1