DE2433080A1

DE2433080A1 - Schaltungsanordnung zur umwandlung einer brueckenverstimmung in eine frequenzaenderung

Info

Publication number: DE2433080A1
Application number: DE2433080A
Authority: DE
Inventors: Dietrich Meyer Dipl In Ebrecht
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1974-07-10
Filing date: 1974-07-10
Publication date: 1976-01-22
Also published as: SE407111B; SE7507736L; US4006430A; JPS5947483B2; GB1510869A; FR2278077B2; DE2433080C2; IT1050693B; FR2278077A2; JPS5132159A

Description

den 8. Juli 1974 Po/pi Akte: PHD 74-118

PHILIPS PATENTVERWALTUNG GMBH^ 2 Hamburg 1, Steindamm 94

"Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer Brückenverstimmung in eine Frequenzänderung"

Zusatz zu Patent (Patentanmeldung P 22 14 114.6)

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer Verstimmung einer aus einer Spannungsquelle gespeisten Widerstandsbrücke mit vier Widerständen in eine dazu proportionale Frequenzänderung eines RC-Oszillators, wobei die Ausgangsklemmen der Brücke mit den Eingangsklemmen eines Kompensationsverstärkers verbunden sind, dessen Ausgangsspannung einen steuerbaren Widerstand mittelbar oder unmittelbar steuert, und eine der Ausgangsklemmen der Brücke außerdem über einen Widerstand mit dem Ausgang eines in bekannter Weise gegengekoppelten Operationsverstärkers verbunden ist, dessen Eingang über den steuerbaren Widerstand an die Span-

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nungsquelle angeschlossen ist und wobei der steuerbare Widerstand und auch der Operationsverstärker Bestandteil des frequenzbestimmenden Netzwerkes des RC-Oszillators ist und an den Ausgang des Operationsverstärkers ein weiterer Verstärker über drei ohmsehe Widerstände und einen Kondensator enthaltendes Allpaß-Netzwerk angeschlossen ist_s in dem der eine an Masse liegende Widerstand steuerbar ist, und wobei der Ausgang des weiteren Verstärkers mit dem Eingang eines Integrators verbunden ist und an den Ausgang des Integrators ein Amplitudendetektor angeschlossen ist, der den steuerbaren Widerstand des Allpaß-Netzwerkes so steuert, daß die . Spannung am Ausgang des Integrators konstant ist, wobei diese Spannung die Speisespannung der Widerstandsbrücke ist, nach Patent (Patentanmeldung P 22 14 114.6).

Mittels dieser Schaltungsanordnung wird eine Brückenverstimmung exakt linear in eine Frequenzänderung umgesetzt. Bei einer Reihe von in solchen Brückenschaltungen verwendeten Meßwertauf nehmern ist der Zusammenhang zwischen Ausgangsgröße und Meßgröße jedoch nur näherungsweise linear. Bei genauen Messungen ist daher eine Berücksichtigung der Nicht-Linearität ihrer Kennlinie notwendig. Da die die Meßgröße angebende Frequenz allgemein elektronisch weiterverarbeitet wird, ist also auch eine elektronische Kompensation der Nicht-Linearität erforderlich. Dies kann beispielsweise durch die bekannten Diodenfunktionsgeber oder durch digitale Funktionsgeber

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durchgeführt werden. Nachteilig ist bei Diodenfunktionsgebern die Temperaturinstabilität sowie bei digitalen Funktionsgebern der große Schaltungsaufwand.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache und wenig aufwendige, jedoch trotzdem höchst stabile Schaltungsanordnung anzugeben, mit der Nicht-Linearitäten von Meßwertaufnehmern weitgehend kompensiert werden können. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Ausgangsspannungen von einer oder mehreren, an den Oszillator angeschlossenen Differenzierschaltungen und/oder Integrierschaltungen mit zumindest teilweise unterschiedlicher Ordnung dem Eingang des Kompensationsverstärkers zugeführt sind und die Kompensationsspannung überlagern. Diese Ausgangsspannungen werden zweckmäßig über Gewichtungswiderstände, beispielsweise mittels eines Summierverstärkers, dem Eingang des Kompensationsverstärkers zugeführt. Als Anschlußpunkte für die Differenzierschaltungen bzw. Integrierschaltungen kann im Oszillator der Ausgang des weiteren Verstärkers, der Ausgang des Integrators und der Ausgang des Operationsverstärkers verwendet werden, die entweder verschiedene Phasenlage gegeneinander oder eine Frequenzabhängigkeit besitzen. Die Anschlußpunkte für die einzelnen Differenzierschaltungen bzw. Integrierschaltungen werden so gewählt, daß ihre Ausgangsspannungen die richtige Phasenlage, gegebenenfalls unter Verwendung eines zusätzlichen Inverters besitzen.

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Äusführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig, 1 ein Blockdiagramm einer vollständigen Schaltungsanordnung nach der Erfindung,

Fig. 2 ein Netzwerk zur Bildung nicht-linearer, von der Frequenz abhängiger Spannungen,

Fig. j5 eine vereinfachte Realisierung eines Netzwerkes nach Fig. 2. .

In Fig. 1 enthält derjOszillator OS den gegengekoppelten Operationsverstärker V-*, der die Kompensati ons spannung U_k sowie die Speisespannung für das Allpaß-Netzwerk aus den Widerständen R,., Rp, R^ und dem Kondensator CL liefert. Die Ausgänge des als Brücke geschalteten Allpaß-Netzwerkes führen auf die Eingänge des als Differenzverstärker ausgebildeten weiteren Verstärkers V>., der einen Integrator speist. Dieser besteht aus dem invertierenden Verstärker V₂ mit hoher Verstärkung, einem diesen Verstärker überbrückenden Integrationskondensator C. sowie einem* vorgeschalteten ohmschen Widerstand R.. Der Ausgang des Integrators ist mit einem Amplitudendetektor AR verbunden, der den an Masse liegenden veränderbaren Widerstand R^ im Allpaß-Netzwerk so verändert, daß die Amplitude der Spannung am Ausgang des Integrators immer konstant ist. Die Ausgangsspannung des Integrators ist

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gleichzeitig die Speisespannung U der Brücke B, die hier vereinfacht nur als Block dargestellt ist« Der Integrator speist ferner das Potentiometer P₈ dessen Ausgang mit dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers Y-, verbunden ist und dessen Teilerverhältnis von dem Kompensati'onsverstärker KR eingestellt wird» Die Frequenz der von dem Oszillator OS erzeugten Spannung hängt linear von dem am Potentiometer P eingestellten Teilerverhältnis und damit zunächst linear von der Brückenverstimmung ab_o

Die Ausgangsspannung der Brücke B wird hier zunächst einem Differenzverstärker V„ zugeführt, dessen Ausgang mit e^nem Summierverstärker Vg verbunden ist. Der Ausgang dieses Summierverstärkers ist mit dem Eingang des Kompensationsverstärkers KR verbunden₉ dessen Ausgangssignal das Potentiometer P steuert. Die Kompensationsspannung am Ausgang des Operationsverstärkers V^ wird über einen weiteren Eingang dem Summierverstärker Vg so zugeführt, daß die von der verstimmten Brücke B erzeugte Spannung kompensiert wird.

Um Nicht-Linearitäten der Brücke B bzw. der darin angeordneten Meßwertaufnehmer zu kompensieren, besitzt der Summierverstärker Vg einen weiteren Eingang, der mit dem Ausgang E eines Netzwerkes N verbunden ist. Dieses Netzwerk erzeugt aus verschiedenen Spannungen an Anschlußpunkten des Oszillators OS Spannungen, die phasengleich mit der amplitudenkonstanten Speisespannung U₃ der Brücke B und der Kompensations-

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Spannung ti sind, aber in nicht-linearer Weise von der Frequenz abhängen. Die im Netzwerk N erzeugten Spannungen werden anteilig in dem Summierverstärker Vg zur Kompensationsspannung addiert bzw. davon subtrahiert_s was nur bei Phasengleichheit bzw. Gegenphasigkeit möglich ist. Die durch die Veränderung des oder der zu messenden Brückenwiderstände verursachte Brückenverstimmung wird nun nicht mehr ausschließlich durch die frequenzproportionale Kompensati ons spannung u"_k kompensiert, sondern anteilig auch durch die genannten^ in dem Netzwerk N erzeugten Korrekturspannungen_s so daß ein entsprechend nicht-linearer Zusammenhang zwischen der Brückenverstimmung und der Oszillatorfrequenz eintritt«

Ein Beispiel für den Aufbau des in Fig. 1 als Block dargestellten Netzwerkes N ist in Fig. 2 dargestellt. Hier enthält das Netzwerk N eine Anzahl von Differenzierschaltungen D^, D₂ und D,, die alle wie die Differenzierschaltung D^ aus einem invertierenden Differenzierverstärker V^ mit hoher Verstärkung, einem diesen Verstärker überbrückenden Differenzierwiderstand R₀ und dem dem Verstärkereingang vorgeschalteten Differenzierkondensator C_ß bestehen. Ferner sind vier Integrierschaltungen I,,, Ip» I-z und Ii vorhanden, die alle wie die Integrierschaltung I^ aus einem Integrierverstärker Vj mit hoher Verstärkung, einem diesen Verstärker überbrückenden Integrierkondensator C_T und einem dem Verstärkereingang vorgeschalteten Integrierwiderstand Rj aufge

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"baut sind. Die Wirkung dieser Schaltungen soll im folgenden erläutert werden.

Durch Differenzieren der frequenzproportionalen Kompensationsspannung U, entsteht eine Spannung_s die quadratisch von der Frequenz abhängt. Sie ist jedoch um 90° in der Phase gedreht, so daß sie zur Kompensation einer Brückenverstimmung ungeeignet erscheint. Nun ist jedoch am Ausgang des Allpaß-Differenzverstärkers V₁ eine Spannung verfügbar, die zur Komp ens ati ons spannung Uj₅. frequenzunabhängig in einem konstanten Amplitudenverhältnis steht, jedoch um minus 90 in der Phase gedreht ist. Wird diese Spannung differenziert, dann entsteht die gewünschte phasairichtige Spannung mit quadratisch frequenzabhängiger Amplitude. Das geschieht mit der Differenzierschaltung D^, deren Eingang B mit dem Ausgang des Allpaß-Differenzverstärkers V,, verbunden ist. Durch zweifaches Differenzieren der Kompensationsspannung ü% kann auch eine phasenrichtige Spannung erzeugt werden, deren Amplitude jedoch der dritten Potenz der Frequenz proportional ist. Das geschieht durch die hintereinandergeschalteten Differenzierschaltungen D. und D^. Durch Integrieren der amplitudenkonstanten Brückenspeisespannung U kann dagegen eine Spannung erzeugt werden, deren Amplitude der Frequenz reziprokproportional ist. Diese Spannung ist jedoch zur Kompensation wieder ungeeignet, da sie gegenüber der Kompensationsspannung um minus 90° in der Phase verschoben ist. Eine phasenrichtige und der Frequenz reziprokproportionale

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Spannung kann jedoch durch zweifaches Integrieren der frequenzproportionalen Komp ens at ions spannung U^. erzeugt werden. Dies geschieht durch die Integrierschaltungen I^ und Ip. Durch zweifache Integration der Brückenspeisespannung U mittels der hintereinandergeschalteten Integrierschaltungen I* und I/, deren ersterer Eingang C mit der Brückenspeisespannung U verbunden ist, entsteht eine phasenrichtige Spannung, die reziprokproportional zum Quadrat der Frequenz ist.

Läßt sich die zu linearisierende Kennlinie des Meßwertaufnehmers AR/R = g (X) mit X = Meßgröße durch eine Reihenentwicklung

a_± - f* = g (X)

i = -2

so darstellen, daß in genügend guter Näherung f λ/ Χ wird, dann können die durch die Differenzierschaltungen D.., D₂, D-, und durch die Integrierschaltungen I₁, I₂» I^ und Iλ erzeugten Spannungen über die Summierwiderstände R^₀ bis R^₅ des über R„ gegengekoppelten Verstärkers V™ mit der richtigen Gewichtung addiert und über den Summierverstärker V« dem Kompensationsverstärker KR zugeführt werden. Die richtige Gewichtung wird dadurch erreicht, daß die Summierwiderstände den zugehörigen Koeffizienten der Reihenentwicklung entsprechen. Über den Widerstand R^^ wird ein amplitudenkonstanter

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Anteil· entsprechend dem Koeffizienten a_Q addiert. Bei Bedarf müssen zur Richtigstellung des Vorzeichens nicht dargestellte Inverterverstärker vor- oder nachgeschaltet werden, oder es muß ein Summierverstärker mit positiv und negativ bewerteten Eingängen eingesetzt werden,, Die Integrierschaltungen, die Spannungen proportional zu negativen Potenzen der Frequenz erzeugen^ wirken dabei besonders am niederfrequenten Ende der Umwandlungskennlinie, während die von den Differenzierschaltungen erzeugten Spannungsanteile proportional zu positiven Potenzen der Frequenz wesentlich an deren hochfrequenten Ende wirken. V/erden bei extremen Krümmungen der Meßwertaufnehmerkennlinie Korrekturglieder noch höherer Ordnung benötigt, so können diese durch zweifaches Differenzieren bzw. Integrieren der jeweils um zwei in der Potenz der Frequenz niedrigeren Korrekturspannungen phasenrichtig erzeugt werden, z. B. eine Spannung proportional der vierten Potenz der Frequenz durch zweifaches Differenzieren der Ausgangsspannung der Differenzierschaltung D^ mittels zwei weiteren, gleich aufgebauten Differenzierschaltungen»

Eine Abwandlung des in Figo 2 dargestellten Netzwerkes mit gleicher Wirkung ist in Fig. 3 dargestellt, wobei einige Schaltungskomponenten eingespart werden können. Die Verstärker in den Differenz!erschaltungen Dp und D, können gemeinsam durch den Verstärker Vg ersetzt werden, so daß die Differenzierkondensatoren Cp und C^ direkt mit dem Eingang

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dieses Verstärkers verbunden sind» Dia Gewichtung kann durch der Differenzierschaltung bzw. den Differenzierkondensatoren vorgeschaltete Spannungsteiler (nicht dargestellt) erreicht werden. Ferner können die an den Eingängen A und C des Netzwerkes liegenden Spannungen gemeinsam über dieselbe Kette von Integrierschaltungen integriert werden,, so daß die zwei Integrierschaltungen I^ und Ir mit zugehörigen Verstärkern entfallen. Die gewichtete Summierung findet dann am Eingang der der Integrierschaltung I₁ in Fig_e 2 entsprechenden Integrierschaltung aus dem Verstärker V^ und dem Kondensator C/ über die Summierwiderstände R^ und Rg statt, die gemeinsam als Integrierwiderstand dienen. Ferner kann der Verstärker Vg entfallen bzw. mit dem Summierverstärker Vg in Fig. 1 zusammengefaßt werden, wenn dieser Summierverstärker mit geeigneten zusätzlichen Summiereingängen ausgerüstet werden kann.

Die vorstehend beschriebene Schaltungsanordnung ist je nach der Anzahl der verwendeten Differenzierschaltungen und Integrierschaltungen in der Lage, praktisch beliebige Nicht-Linearitäten von Meßwertaufnehmern zu kompensieren. Darüber hinaus bietet sie jedoch die sehr interessante Möglichkeit, den quadratischen Zusammenhang beispielsweise zwischen Strömungsgeschwindigkeit und Differenzdruck bei einem Durchflußmeßaufnehmer nach dem Wirkdruckprinzip exakt zu linearisieren. Dabei ist es auch möglich, eine Nullpunktverschiebung der Frequenz einzuführen (life zero), d. h.

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beim Meßwert Null entsteht bereits eine endliche Frequenz. Das ist für eine Übertragung und für eine Kalibrierung sehr vorteilhaft. Zur Linearisierung des genannten quadratischen Zusammenhanges sind lediglich die Schaltungsmittel notwendig, die Spannungen unabhängig von der Frequenz und proportional zur Frequenz und zum Quadrat der Frequenz erzeugen.

Patentansprüche:

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Claims

Patentansprüche:

'ί1.)Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer Verstimmung einer aus einer Spannungsquelle gespeisten Widerstandsbrücke mit vier Widerständen in eine dazu proportionale Frequenzänderung eines RC-Oszillators, wobei die Ausgangsklemmen der Brücke mit den Eingangsklemmen eines KompensationsVerstärkers verbunden sind, dessen Ausgangsspannung einen steuerbaren Widerstand mittelbar oder unmittelbar steuert, und eine der Ausgangsklemmen der Brücke außerdem über einen Widerstand mit dem Ausgang eines in bekannter Weise gegengekoppelten Operationsverstärkers verbunden ist, dessen Eingang über den steuerbaren Widerstand an die Spannungsquelle angeschlossen ist und wobei der steuerbare Widerstand und auch der Operationsverstärker Bestandteil des frequenzbestimmenden Netzwerkes des RC-Oszillators ist und an den Ausgang des Operationsverstärkers ein weiterer Verstärker über drei ohmsche Widerstände und einen Kondensator enthaltendes Allpaß-Netzwerk angeschlossen ist, in dem der eine an Masse liegende Widerstand steuerbar ist, und wobei der Ausgang des weiteren Verstärkers mit dem Eingang eines Integrators verbunden ist und an den Ausgang des Integrators ein Amplitudendetektor angeschlossen ist, der den steuerbaren Widerstand des Allpaß-Netzwerkes so steuert, daß die Spannung am Ausgang des Integrators konstant ist, wobei diese Spannung die Speisespannung der Widerstandsbrücke ist, nach Patent . ..% ... (Patentanmeldung P 22 14 114.6), dadurch gekennzeichnet, daß die

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Ausgangsspannungen von einer oder mehreren, an den Oszillator (OS) angeschlossenen Differenzierschaltungen (D^₉ D₂ und D^) und/oder Integrierschaltungen (I^, Ig» I-zp 1^) mit zumindest teilweise unterschiedlicher Ordnung dem Eingang des Kompensationsverstärkers zugeführt sind und die Kompensationsspannung (U, χ überlagern.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Ausgangsspannungen der Differenzierschaltungen (D₁, D₂, D-z) bzw. der Integrierschaltungen (I,,, I₂? I*, 1^) über eine Summierschaltung (Vo) mit Gewichtungswiderständen dem Eingang des Komparators zugeführt sind,
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Anschlußpunkte für die Differenzierschaltungen (D₁, D₂, υ-,) bzw. die Integrierschaltungen (I., I₂, I3, I/) der Ausgang des weiteren Verstärkers (V,,), der Ausgang des Integrators (V₂) und der Ausgang des Oprationsverstärkers (V-z) vorgesehen sind und die Differenz! er schaltungen bzw. Integrierschaltungen an solche Anschlußpunkte angeschlossen sind, daß deren Ausgangsspannungen gleichphasig oder gegenphasig zur Brückenausgangsspannung sind,
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Differenzierschaltungen bzw. Integrierschaltungen über Gewichtungswiderstände (R^, FL-) an

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den Ausgang des Integrators ("^) und an den Ausgang des Operationsverstärkers (V^) angeschlossen sind«
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgen den, dadurch gekennzeichnet daß einer oder mehreren Differenzierschaltungen bzw» Integrierschaltungen Inverter vor- oder nachgeschaltet sind.

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