DD246205A1 - Galvanisch gekoppelter, umschaltbarer messverstaerker mit arbeitspunktstabilisierung durch veraenderlichen rueckfuehrintegrator - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen galvanisch gekoppelten, umschaltbaren Messverstaerker mit Arbeitspunktstabilisierung durch einen veraenderlichen Rueckfuehrintegrator und bezieht sich auf die elektronische Messtechnik. Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine Verstaerkeranordnung zum Anschluss an hochohmige Signalquellen mit kapazitivem Verhalten zu schaffen. Dabei soll der Verstaerkungsfaktor umschaltbar sein und trotz einer niedrigen unteren Grenzfrequenz muss eine schnelle Rueckfuehrung des Arbeitspunktes nach Uebersteuerungen und dgl. gewaehrleistet sein. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass bei Wechsel des Messbereiches zwangslaeufig in einem Rueckfuehrkanal eine schnelle Rueckfuehrumschaltzeitkonstante realisiert wird, die nach Abbau der Uebersteuerung automatisch durch die betriebsmaessig vorgesehene Rueckfuehrmesszeitkonstante ersetzt wird. Ein Einsatzgebiet fuer die erfindungsgemaesse Anordnung stellen Messaufgaben der Schwingungsmesstechnik dar. Fig. 1

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Hochohmige Verstärker mit niedriger Grenzfrequenz neigen als Folge von Veränderungen der Empfindlichkeit oder durch Offseteinflüsse sowie durch Restladungen am Eingang zu Übersteuerungen, die nur langsam abklingen. Da in dieser Phase jedoch kein Meßbetrieb möglich ist, verhindern derartige Übersteuerungen eine schnelle Bestimmung des Meßwertes.

Die erfindungsgemäße Lösung eignet sich für Verstärkeranordnungen, für die nach Einwirkung von Störgrößen eine schnelle Herstellung des normalen Betriebsverhaltens gefordert wird.

Ein vorteilhaftes Anwendungsgebiet stellen automatisch arbeitende Meßsysteme zur schnellen Meßwerterfassung dar.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Nach dem Stand der Technik ist es bekannt, Verstärkeranordnungen für den genannten Verwendungszweck mit einer unveränderlichen Rückführung auszustatten. In der Rückführung selbst dürfen nur Frequenzen übertragen werden, die hinreichend weit unterhalb der tiefsten Signalfrequenz liegen. Damit ist aber zugleich die Regelgeschwindigkeit zwangsläufig festgelegt.

Eine alternative Lösung zur festen Rückführung wird in der DE-OS 2609013 dargestellt. Hier ist die Rückführung nur wirksam beim Fehlen des Meßsignals, während sie bei anliegendem Meßsignal unterbrochen wird. Dieses Verfahren schließt jedoch einen kontinuierlichen Meßbetrieb aus.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine umschaltbare Verstärkeranordnung mit hochohmigem Eingang zum Anschluß von kapazitiven Meßspannungsquellen anzugeben. Dabei sollen Einschwingvorgänge und Ladungsverschiebungen, die zu einer Verlagerung des Arbeitspunktes führen, ohne Beschneidung des Signalfrequenzbereiches und ohne besondere Abgleichelemente in den einzelnen Verstärkerstufen, schnell abgebaut werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß dem Eingang eines umschaltbaren Verstärkers das Meßsignal und das Ausgangssignal eines Rückführintegrators umschaltbarer Grenzfrequenz zugeführt werden. Vor jeder Meßbereichsumschaltung, die durch eine Umschaltung der Verstärkerempfindlichkeit oder durch eine Veränderung der Spannungsteilung eines kapazitiven Teilers am Eingang der Anordnung erfolgen kann, wird der Rückführintegrator aufschnelle Ausregelung des entstehenden Spannungssprunges geschalten. Nach einer festgelegten Verzögerung wird die betriebsmäßige Grenzfrequenz wieder hergestellt. Die Realisierung erfolgt derart, daß am Eingang des Rückführungsintegrators sich zwei RC-Glieder befinden, wobei ein Glied ständig eingeschalten ist und das betriebsmäßige Zeitverhalten der Anordnung bestimmt, während das zweite RC-Glied, das nur während der Umschaltphasen dem ersten RC-Glied parallel geschaltet wird, die schnelle Rückführung gewährleistet. Da eine galvanische Kopplung aller Stufen der erfindungsgemäßen Anordnung vorliegt, bewirkt der Rückführintegrator ein kurzfristiges Einpegeln auf die betriebsmäßigen Arbeitspunkte. Einen Vorabgleich des Arbeitspunktes der gesamten Anordnung ermöglicht der Offsetregler des als Integrator geschalteten Operationsverstärkers. Am Ausgang des Rückführintegrators liegt eine zum Meßsignal gegenphasige Gleichspannungskomponente. Das Meßsignal selbst wird in bekannter Weise gemittelt

Bei der Konzipierung des eigentlichen Verstärkers muß sichergestellt sein, daß die Spannung am Eingang mit der Spannung am Ausgang der Verstärkeranordnung gleiche Phasenlage besitzt. Eine vorteilhafte Variante der gezeigten Anordnung besteht darin, daß dem Verstärker ein Impedanzwandler vorgeschaltet ist. Auch in diesem Fall müssen Eingangsmeßspannung und Ausgangsspannung gleichphasig sein.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Figur 1: die grundsätzliche Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Anordnung und Figur 2: eine Variante für den Aufbau des RC-Gliedes

In Figur 1 wird dem Eingang E das Meßsignal zugeführt, wobei als Spannungsquelle eine Wechselspannungsquelle mit kapazitivem Verhalten angegeben ist. Das Meßsignal, zusammen mit einem über einen Widerstand R kommenden Rückführsignal, gelangen an den Eingang eines Impedanzwandlers IW. Die Kapazität der Eingangssignalquelle bildet im Zusammenwirken mit der über den Kapazitätenschalter Schux umschaltbaren Kapazitätsbatterie UK einen kapazitiven Spannungsteiler. Durch Wahl eines geeigneten kapazitiven Teilerverhältnisses wird das Eingangssignal auf einen passenden Pegel gebracht. Nach dem Impedanzwandler IW folgt ein Verstärker umschaltbarer Empfindlichkeit V; die Wahl einer geeigneten Empfindlichkeitsstufe erfolgt mittels des Verstärkerschalters Sch_v. Das Ausgangssignal des Verstärkers umschaltbarer Empfindlichkeit V gelangt an den Ausgang A und wird außerdem dem RC-Glied 'E'zugeführt. Im RC-Glied Xwerden die RückführmeßzeitkonstantetTM und die RückführumschaltkonstanteXU realisiert. Eine mögliche Wirkungsweise des RC-GliedesT kann darin bestehen, daß die RückführmeßkonstantefM ständig im Rückführzweig liegt, während die RückführumschaltzeitkonstanteTU mittels eines Schalters für schnelle Rückführung Schfu nur während der Betätigung des Kapazitätenschalters Sch_UK oder des Verstärkerschalters Sch_v zusätzlich zur RückführmeßzeitkonstanteT M zugeschaltet wird. Es wäre auch möglich, den Schalter für schnelle Rückführung Sch£u als Wechselschalter auszuführen und die Rückführmeßzeitkonstante M oder die Rückführumschaltzeitkonstante TTU alternativ einzuschalten, wobei für die Rückführumschaltzeitkonstante TU allerdings eine andere Dimensionierung erforderlich wird. Die Aufgabe der schnellen RückführumschaltzeitkonstanteT^-U besteht darin, die als Folge von Betätigungen des Kapazitätenschalters Sch_UK oder des Verstärkerschalters Sch_v entstehenden Übersteuerungen der Gesamtanordnung schnell abzubauen, um danach wieder volle Meßbereitschaft herzustellen.

Im Ausgang des RC-GliedesT* befindet sich der als Integrator wirkende Operationsverstärker OV, dem das Rückführsignal am invertierenden Verstärkereingang zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers OV gelangt schließlich an den dem Eingang E abgewandten Anschluß des Widerstandes R.

Zur zeitlichen Koordinierung der Funktion der drei Schalter Schfu/ Sch_UK und Sch_v dient ein Steuerbaustein S. Nach Eingang eines externen Steuersignals „Meßbereichswechsel" wird der Schalter für schnelle Rückführung Sch'iu geschlossen. Dazu synchron oder mit einer geringen Verzögerung gibt der Steuerbaustein S Schaltbefehle an den Kapazitätenschalter Sch_UK oder an den Verstärkerschalter Sch_v. Nach einer einstellbaren Verzögerung liefert der Steuerbaustein S nunmehr einen Schaltbefehl an das RC-Glied Tzum Öffnen des Schalters für schnelle Rückführung Sch¹^, wodurch Meßbereitschaft hergestellt wird. Eine mögliche Reihenfolge der einzelnen Schalterstellungen der Schalter SchuK und Sch_v kann so gewählt werden, daß nach Eingang eines neuen Meßsignals die Stellung des Kapazitätenschalters Sch_UK minimale kapazitive Spannungsteilung ergibt und daß der Verstärkerschalter Sch_v auf maximale Verstärkung gestellt ist. Nun wird, sofern das am Ausgang A anliegende verstärkte Meßsignal außerhalb des Meßbereiches liegt, zuerst der Verstärkerschalter Sch_v und danach gegebenenfalls noch der Kapazitätenschalter Sch_UK so lange betätigt, bis das Meßsignal am Ausgang A mit dem gewünschten Pegel anliegt.

Eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß das Steuersignal „Meßbereichswechsel" von einem Rechner geliefert wird.

Es ist sicherzustellen, daß die Meßspannung am Eingang E und die Spannung am Ausgang A gleiche Phasenlage besitzen. In Figur 2 ist eine vorteilhafte Gestaltung des RC-Gliedes t dargestellt. Dabei wird wieder von der bereits in Figur 1 dargestellten Variante ausgegangen, daß die Rückführumschaltzeitkonstante TU der ständig im Rückführzweig liegenden Rückführmeßzeitkonstante*?Tvl über den Schalter für schnelle Rückführung Sch~_u parallelgeschaltet werden kann. Die Rückführumschaltzeitkonstante'i'U wird gebildet durch die Parallelschaltung des Widerstandes R4 mit dem Kondensator C2, die ihrerseits mit dem Widerstand R 3 in Reihe liegt. Die Rückführmeßzeitkonstante^JlVI wird realisiert durch die Reihenschaltung des Kondensators C1 mit dem Widerstand R 2, zu denen der Widerstand R1 parallel angeordnet ist.

Claims (7)

1. Erfindungsanspruch:

   1. Galvanisch gekoppelter, umschaltbarer Meßverstärker mit Arbeitspunktstabilisierung durch einen veränderlichen Rückführintegrator, bestehend aus einem Integrator, einem umschaltbaren RC-Glied und einem oder mehrerer in Reihe angeordneter Verstärker umschaltbarer Empfindlichkeit, gekennzeichnet dadurch, daß der Verstärker umschaltbarer Empfindlichkeit (V) sowohl die vom Eingang (E) kommende Meßspannung als auch die über den Widerstand (R) kommende Ausgangsspannung des als Integrator wirkenden Operationsverstärkers (OV) erhält, daß am Ausgang (A) des Verstärkers umschaltbarer Empfindlichkeit (V) ein RC-Glied (T) folgt, das sowohl eine Rückführmeßzeitkonstante (TTM) als auch eine — wahlweise einschaltbare Rückführumschaltzeitkonstante (TU) realisiert, daß jede Empfindlichkeitsveränderung der gesamten Anordnung zwangsläufig mit einem Zuschalten der Rückführumschaltzeitkonstante (*CU) beginnt, wobei nach einer wählbaren Verzögerung die Rückführmeßzeitkonstante CfM) nur allein wirkt, daß der Ausgang des umschaltbaren RC-GliedesfC) mifdem invertierenden Eingang des als Integrator wirkenden Operationsverstärkers (OV) verbunden ist und daß die Meßspannung am Eingang (E) und die Spannung am Ausgang (A) gleiche Phasenlage besitzen.
2. 2. Galvanisch gekoppelter, umschaltbarer Meßverstärker nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß parallel zum Eingang (E) eine umschaltbare Kapazitätsbatterie (UK) angeordnet ist.
3. 3. Galvanisch gekoppelter, umschaltbarer Meßverstärker nach Punkt 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Operationsverstärker (OV) offsetkompensiert ist.
4. 4. .Galvanisch gekoppelter, umschaltbarer Meßverstärker nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß vor dem Verstärker umschaltbarer Empfindlichkeit (V) ein Impedanzwandler (IW) angeordnet ist.
5. 5. Galvanisch gekoppelter, umschaltbarer Meßverstärker nach Punkt 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß sich das RC-Glied fir)aus der Parallelschaltung von drei Zweigen zusammensetzt, wobei der erste Zweig durch den Widerstand (R 1), der zweite Zweig aus der Reihenschaltung des Widerstandes (R 2) mit dem Kondensator (C 1) und der dritte Zweig aus der Reihenschaltung des Schalters für schnelle Rückführung (Sch^u) mit dem Widerstand (R3) und der Parallelschaltung des Widerstandes (R4) mit dem Kondensator (C2) gebildet werden.
6. 6. Galvanisch gekoppelter, umschaltbarer Meßverstärker nach Punkt 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß jeder Meßbereichswechsel durch ein externes, kodiertes Steuersignal ausgelöst wird, daß dieses Steuersignal sowohl einem Steuerbaustein (S) als auch dem RC-Glied (T) zugeführt wird, worauf der Schalter für schnelle Rückführung (Sctr^u) schließt, daß der Steuerbaustein (S) nach Eingang des Steuersignals „Meßbereichswechsel" seinerseits weitere Steuersignale an den Verstärker umschaltbarer Empfindlichkeit (V) und an die Kapazitätsbatterie (UK) gibt, wobei die Kodierung des Steuersignals „Meßbereichswechsel" die neuen Stellungen des Verstärkerschalters (Schv) und des Kapazitätenschalters (SchyK) bestimmt und daß nach Ablauf einer vorgegebenen Verzögerung der Steuerbaustein (S) ein weiteres Steuersignal an das RC-Glied (f) gibt, worauf der Schalter für schnelle Rückführung (Sch^u) wieder öffnet.
7. 7. Galvanisch gekoppelter, umschaltbarer Meßverstärker nach Punkt 6, gekennzeichnet dadurch, daß ein Rechner das Steuersignal „Meßbereichswechsel" liefert und gleichzeitig die Funktion des Steuerbausteins (S) übernimmt.