DD213564A1

DD213564A1 - Langzeitintegrator

Info

Publication number: DD213564A1
Application number: DD24760783A
Authority: DD
Inventors: Peter Schmidt
Original assignee: Hermsdorf Keramik Veb
Priority date: 1983-02-01
Filing date: 1983-02-01
Publication date: 1984-09-12
Also published as: DE3331334A1; JPS59146383A

Abstract

Langzeitintegrator mit einem Wechselspannungspfad, der einen Hochpass enthaelt und mit dem invertierenden Eingang eines Differenzverstaerkers verbunden ist, mit einem Gleichspannungspfad, der einen Tiefpass, einen Modulator, einen Verstaerker, einen Demodulator und ein passives Filter aufweist und auf den nicht invertierenden Eingang des Differenzverstaerkers gefuerht ist, und mit einem Rueckkopplungspfad, der einen Kondensator enthaelt und zwischen dem Ausgang und dem Eingang des Differenzverstaerkers besteht. Der Langzeitintegrator ist fuer Messgeraete, insbesondere Fluxmeter bestimmt. Durch die entsprechende Ausgestaltung des Gleichspannungspfades soll erreicht werden, dass die den Hauptverstaerker verlassenden Signale frei von Langzeitschwankungen und als reproduzierbare Integrale der Eingangsspannungssignale erkennbar sind. Dazu werden der Modulator und der Demodulator im Gegentakt betrieben und zwischen dem Demodulator und dem passiven Filter ein aktives Filter angeordnet.

Description

Peter Schmidt ^; P 931

; : .' ". IPE: H 03 K, 4/08

27.1.1983

Titel der Erfindung ;:.:.;..:- ' . ., . ^:' Langzeitintegrator .:^: .

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen LangzeitintegratQr mit einem vVechselspännungspfad, der einen Hochpäß aufweist und dem invertierenden Eingang eines Mfferehzverstärkers zugeführt ist, Der Langzeitintegratoi¹ hat weiterhin einen Gleichspannungspfad, der nacheinander einen Tiefpaß, einen Modulator, einen Verstärker^" einen Demodulator und ein passives Filter enthält und dem nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers zugeführt ist. Schließlich gehört zum Langzeitintegrator einRückkoppelungspfad, dereinen Kondensator beinhaltet und zwischen dem Ausgang des Differenzverstärkers und dem gemeinsamen Ausgangspunkt von,Wechselspannungspfad und Gleichspannungspfad besteht. Die Erfindung wird in Meßgeräten, insbesondere in Fluxmetern verwendet»

...it:

P 931

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Schaltungsanordnüngen zur Erzeugung von Sägezahnspannungen hoher Linearität Sind als Miller-ijitegratoren bekannt, Sie besitzen zwischen dem Eingang und Ausgang eines Verstärkers mit einer hohen Verstärkung und einem höchohmigen Eingang einen Kondensator. Derartige Miller-Integratoren werden im allgemeinen als Kurzzeitihtegratoren verwendet, da sie für die Erfassung von IJangzeiteffekten eine zu geringe Stabilität aufweisen, Außerdem sind zerhaGkerstabilisierte Verstärker schaltungen mii» e inem Hilfsverstärker bekannt, der die Drift eines Hauptverstärkers korrigiert und den Nullpunkt automatisch naciiregelt. Derartige Verstärkerschaltung en sind als Goidberg-Verstärker bekannt. Es ist nun möglich, einen Miller-Integrator mit einem GoIdberg-Veratärker zu kombinieren. Dabei zeigt sich jedoch eine noch ungenügende Drift Stabilität, weil sich die Schalteffekte des zum Verstärker gehörenden Modulators und die Toleranzen der besonders dem Hilfsverstärker zugeordneten Bauelemente nachteilig auswirkenunddie dadurch eintretenden Fehler durch den Häuptverstärker noch überhöht dargestellt werden. Deshalb ist die kombination eines Miller-Integrators mit einem obl^bergyVerstarker insbesondere dann nicht geeignet, wenn das Integral sich langsam ändernder Meßwerte genau registriert werden soil.

Ziel der Erfindung ' '; ' ' .

Durch die Erfindung sollen die aufgezeigten Mängel beseitigt und eine Schaltungsanordnung geschaffen/werden, die die Signalintegration mit weitgehender Unabhängigkeit von der Zeit und der Singahgsempfindlichkeit der Schaltungsanordnung er-' möglichtw ·.:' .'; '. :;.; ';^;:.^;'';;;'';:. .:.'.-..· . · ^;- ; ''' : ''' ':'^;-.. . ·. . ' '

Darlegung·, des Wesensλ der Erf Indung;

Aufgabe der Erfindung¹ Ist es daher, einen Langzeitintegrator·. ' ·. zu, schaffen, der unterVerwendung eines Haupt- und eines Hilf s-' Verstärkers sowie eines iiiit einer Kapazität versehenen Rückkopplungspfades vom Ausgang zum Eingang des Hauptverstärkers eineKulipunktskonstanz und weitestgehende Driftunabhängigkeit gewährleistet. Durch eine entsprechende Ausgestaltung des Grleichspännungspfades, in dem sich der Hilfsverstärker . befindet, soll erreicht werden, daß die den Hauptverstärker verlassenden Signale frei von;'Lang ze ifeachw anklingen und als reproduzierbare Integrale der Eingangsspannungssignale erkennbar"·, sind«,...· ^;' .· · - ; ' '_:r ^y " '' ': ,.·.··.· .' '. -.· . '.· ;_ .·. . Gemäß der Erfindung wird die Aufgäbe: dadurch gelöst, daß der Modulator und der Demodulator im Gregentakt betrieben werden und daß zwischen, dem Demodulatpr und dem passiven Filter ein ν aktives Filter angeordnet 1st, Dabei ist es ein Kennzeichen des aktiven Filters, daß es neben der Siebwirkung eine verstärkende Wirkung besitzt. Auf diese leise wird das Ausgangssignal des Hilfsyerstärkers sehr rauscharm und frei von Spikes gestaltet, die beim Zerhacken der Gleichspannung auftreten, Von Vorteil ist es, wenn zur Herstellung des aktiven Filters der Gleichspannungspfad zwischen dem Demodulator und dem passiven Filter eine Verzweigung aufweist, bei der alle Zweige von einem Punkt ausgehen und in einem zweiten Punkt enden. In einem der Zweige sind lediglich zwei Widerstände zur Summenbildung angeordnet. Über diesen Zweig kommt das die Nutz- und die Störspanhung umfassende Signal. In gedem anderen Zweig ist zwischen zwei Widerständen mindestens ge ein von zwei Kondensatoren eingeschlossener Operationsverstärker angeordnet. Der Operationsverstärker ist ein invertierender Wechseispannungsverstärker. Durchdie Kondensatoren wird die Storspannung ausgefilter.* Am zweiten Punkt wird die Summe der Signale über den einen Zweig und über den/die anderen Zweig/e gebildet, wobei allein das Nutzsignal übrig bleibt. Es muß mindestens ein Zweig

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mit mindestens einem Operationsverstärker bestehen. Auf diese Weise werdenin dem denOperationsverstärker enthaltenden Gleichspannungspfad, dessen Spannüngsschvs/ankungen sehr klein gegenüber denen des Wecfaselspannungspfades sind, eine hohe Spannungsverstärkung .bei geringer Drift» ein kleiner Belastungsfehler, ein großer linearer Aussteuerbereich und eine hohe Stabilität erreicht.Bei großer Bandbreite der .,St or spannung ist es vorteilhaft, in Abhängigkeit von den vorhandenen Bauelementen für hohe und tiefe Frequenzen je einen Zweig mit einem entsprechenden Operationsverstärker vorzusehen. Vorteilhaft ist der Öperatipnsverstarker so ausgebildet, daß die Verstärkung hinsichtlich ihrer Amplitude bei konstanter Phäsenlaufzeit regelbar ist; Schließlich, ist es empfehlenswert, eine regelbare Korrekturschaltung zur Korrektur des Rauschpegels bezüglich, des itfullpötentials vorzusehen. Die beiden letztgenannten Korrekturen diener Abgleich des Langäeitintegrators vor seiner Inbetriebnahme.

Ausführunffsbeispiel ^ _: : ^. .

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die prinzipielle Schaltungsanordnung eines

J¹Ig. 2 die Anordnung des aktiven Filters zwischen dem Verstärker'und dem Hauptverstärker im Gleich-'' -. - ' spannung^pfad. r: ':.: .^ '-^y' -. ' , ' .. ;.' ...;. ..- _;:^{: ]}

In Fig. 1 ist einEingang 1 über einen Widerstand 2 mit einem gemeinsamen Ausgangspunkt 3' ' £ü> einen Wechselspannungspfad 4·," einen Gleichspannungspfad 5 und einen Rückkoppelungspfad 6 verbunden. Die Pf ade 4j 5 »6 haben, einen gemeinsamen Ausgang 7 zu einer nicht dargestelltenRegistrier- oder Digitalisiereinrichtung. Der Wechselspanhungspfad 4 enthält einen Hochpaß 8 und endet am invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers 9 ( Wechselspannungaverstärker); er läßt die vom Eingang 1

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kommenden scanollen Stromänderungen passieren. Der Gleicbspannungspf ad 5 enthält einen Tiefpaß 10, einen als FeIdeffektransistor (ΤΕΤ) ausgebildeten Modulator 11 (Ringmodu- ; la tor), einen Verstärker 12, der eine negative Signalverstärkung vornimmt, einen;Demodulator13, der ebenso wie der Modulator 11 im Gegentakfc arbeitet^ ein aktives Filter 14 und ein passives Filter: 15. Der Gleichspannungspfad 5 läßt nur die langsamen Strömanderungen.'.'passieren und führt zum nicht invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 9· Der Räckkoppelungspfau.6 verbindet einι Punkt 16 des Ausgangspfades 17 vom Differenzverstärker 9 zum gemeinsamen Ausgang 7 und enthält einen Kondensator 18, der den Rückköppelungspfad 6 für Gleichstromsignale sperrt. Des vom Eingang 1 zum Ausgang 7 zu über'tragende Frequenzband wird am Ausgangspunkt 3 durch:die Wirkungen des Hochpasses 8 und des Tiefpasses 10 in zwei Teilbänder aufgeteilt, von denen das. über den Gleichspannungspfad 5 geleitete Teilband auch die Driftsignale enthält. Die Signale dieses Teilbandes werden durch: den Hingmodulator 11 amplitudenmoduliert und im ^echselspannungsverstärker 12 verstärkt, der für den geforderten hohen Eingangswiderstand und die nötige Gleichtaktunterdrückung sorgt. Die Frequenz der den Wechselspannungsverstärker 12 verlassenden Wechselspannung ist gleich der Chopperfrequenz; ihre Amplitude ist gleich dem Wert der JevveiligenEingangsspannung. Nach phasenrichtiger Gegentaktdemolutation im Demodulator 13 und Glattung mittels des aktiven Filters 14 und des passiven Filters 15 werden die Signale demnichtinvertierenden Bingang des Hauptverstärkers zugeführt. Über den Bückkoppelungspfad 6 wird die Abweichung des Ausgangspunktes (Summenpunktes) 3 von KuIl ausgeregelt. Liegt am Ausgangspunkt 3 ein positives Fehler signal IT^ an, dann •wird dieses Signal mit -Vg verstärkt. Da die Drift des Verstärkers 12 klein ist, kann sie vernachlässigt werden. Am nichtinver-r tiefenden Eingang des Hauptverstärkers-9 liegt somit das Signal, ü* = - V₀ U_eN an. An den Eingängen des Hauptverstarkers 9 stehen Signaie unterschiedlicher Polarität und Am- : plitude an. Die Differenz zwischen beiden Signalen wird im Haüptveratärker 9 mit V^ verstärkt. Pamit liegt am Aus-.

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gang 16 des Hauptveratarkers 9 ein gegenüber 3 invertiertes Signal an. Der infolgedessen über den Kondensator fliessende Wechselstrom wirkt der Abweichung des Signals im Ausgangspunktes 3 von Null entgegen«, V/

Damit der Ausgang des von den Elementen 10 bis 15 gebildeten Hilfsverstärkers sejir rauscharm und frei von insbesondere bei der Modulation.entstehenden Spikes ist, hat das aktive Filter gemäß Fig, 2 folgenden Aufbau. Der dem Wechselspanüungsyerstärker 12 im Gleichspannungspfad 5Nachgeordneten Gegentaktdemodulator (Gleichrichter) 131; 132 ist über einen Kondensator 19; 20 mit einem Widerstandsnetzwerk 21; 22; 23 bzw. 24; 25;26 verbunden. Zwischen dem Kondensator 19; 20 und dem Widerst9Msnet2swerk 21 bis 26 verzweigt sich der Gleichspannungspfad 5 iüeinem Punkt 30; 31 in drei Teilpfade 27 ;28;29, wobei jeweils zwei Widerstände 21;24· bzw. ; 22;25 bzw; 23;26 ineiilem Teilpfad 27 bis 28 bzw* 29 parallel liegen. Die Teilpfade 27 und 29 enthalten je einen Kondensator 32 bzw. 33» einen regelbaren invertierenden Operationsverstärker 34 bzw, 35» einen weiteren Kondensator 36 bzw. 37 und einen SummiesWiderstand 38 bzw*/39» Der Teilpfad 28 weist einen Summieiwiderstaad 40 auf und vereinigt sich in einem Summenpunkt 41 mit den Teilpfaden27und 29 wieder zum Gleichspannung spfad 5, der eiö passives Filter 42;43 passiert, bevor er am nicht invertleienden Eingang in den Hauptverstärker 9 eingeführt wird. Parallel zum Teilpfad/29 ist zwischen den Punkten 44 und 45 eine Korrekturschaltung^ eingefügt, die aus einem Filter 46, einem regulierbare^ Widerstand 47 und zwei festwiderständen:48;49 besteht*

Der Wechselspannungsverstärker 12.sorgt nicht nur für die gewünschte Verstärkung spnderii auch für die erforderliche Übertragungsbandbreite. Das pulsampiitudenmodulierte und verstärkte Eingangssignal wird im Demodulator (phasenempfindlichen Gleichrichter) 131» 132 demoduliert. Die Wechselspannung santeile der D©mulatprspannuhg, die teils aus dem Funkelrauschen der Vorstufen des/Verstärkers 12, teils als Spikes aus der Ghopperfreqüenz selbst resultieren, werden für höherfrequente Signalanteile über den invertierenden Verstärker 34

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und für niederfrequente ' Signal ant.elle über den invertierenden Verstärker 35 mit Hilfe der Kondensatoren 32; 36 bzw. 33; aus der Demodulator spannung ausgefiltert und im. Summenpunkt 41 in einem entsprechenden Amplitudenverhältnis der ursprünglichen Demodulatorspannürig, die über den Teilpfad 28 zum Summenpunkt 41 gelangtj v;ieder zugeführt. Die Addition er-, folgt im Widerstandsnetzwerk 38 bzw, 39.^0. Da über die Teilpiade 27;29 bezüglich des Wechselspannungsanteila des über den Teilpfad 28 laufenden Signals genau invertierte Signale zum Summenpunkt 41 gelangen, ergibt sich im Summenpunkt 41 durch die Signaladdition eine praktisch rausch- und spikefreie Gleichspannung. Über das passive Filter 42;43 gelangendiese Gleichspannung zum nicht invertierenden Eingang des Hauptverstärkers 9* .

Die Operationsverstärker 3^ und 35 sind zum Abgleich der beiden Teilpfade 27 und 29 hinsichtlich ihrer Verstärkung regelbar. Außerdem wird durch die Korrekturschaltung zwischen den Punkten 44 und 45der Mittelwert des Funkelrauschens stets auf Nullpotential gehalten. Di.e Demodulatorspannung speist dazu das Siebglied 46,, das zusammen mit dem Summierwiderstand 49 und dem regelbaren Widerstand 47 diese Funktion gewährleistete ' _'.'. ' . / \';\- ' .- : ,:,. ^;:"..·..' /. ; ' ;' . ; ':; . ... ;

Claims

. -·8 - ; y; - P 931 : .- /..;? Erfindungsanspruch

1. Langzeitintegratqr niit einem Wechselspannungspfad, der einen Hochpäß aufweist und dem invertierenden Eingang eines DifferenzverstärkerS zugeführt ist, mit einem Gleichspannungspfad, der nacheinander einen Tiefpaß, einen Modulator, einen Verstärker, einen Demodulator und ein passives Filter enthält und dem nicht invertierenden Eingang des Differenzverstärkers zugeführt ist, und mit einem Euckkoppelungspfad, der einen Kondensator beinhaltet und zwischen dem Ausgang des Differenzverstärkeis und dem gemeinsamen Ausgangspunkt von Wechaälspannungspfad und Gleicnspannungspfad besteht, gekennzeichnet dadurch, daß der Modulator und der Demodulator im Gegentakt arbeiten und daß zwischen dem Demodulator und dem passiven Filter ein aktives Filter

; angeordnet ist«

2. Langzeitinbegrator gemäß Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der G-leichspannungspfad zwischen dem demodulator und dem passiven Filter eine Verzweigung aufweist, bei der alle Zweige von einem Punkt ausgehen und in einem zweiten Punkt enden, daß in einem der Zweige zwei Widerstände angeordnet sind und daß in »jedem anderen Zweig zwischen zwei Widerständen mindestens je ein von zwei Kondensatoren eingeschlosserjer Operationsverstärker angeord-

' ' net ist. ' . . :- ..:':.-' ; .,; · ..; .. . . .·· -;.^: ' :' · ^:.^: '. .. · .'.': ·'

3. Langzeitintegrator-ge.mäß'Puükt^:.2_t. gekennzeichnet dadurch, daß die Verstärkung:des Operationsverstärkers hinsieht- _; lieh ihrer Amplitude regelbar ist und dabei die Phasen- IaufzeIt konstant.bleibt,

4» -Langzeitintegrator. gemäß Punkt 3, gekennzeichnet dadurch, daß eine Korrekturschaltung zur Korrektur des Rauschpegels zum. Ivüllpotential vorgesehen ist« - '

- -Eierzu 1 Seite Zeichnungen - \