DE2349982A1 - Schaltung zur unterdrueckung von rauschsignalen und verfahren zur eichung der schaltung - Google Patents

Description

Schaltung zur Unterdrückung von Kauschsignalen und Verfahren

zur Eichung der Schaltung

Es wird die Priorität der US-Patentanmeldung Serial No. 295 vom 6.10.1972 in Anspruch genommen.

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Unterdrückung von Eauschsignalen mit einem Operationsverstärkers der Eingangasignäle innerhalb eines vorgegebenen Betriebsbereites verstärkt, mit. einem Eingangsnetzwerk₅ dem ein Eingangssignal und ein G-leichtakt-Rausehsignal zugeführt sind, das eine erste und eine zweite Impedenz aufweist, die zu einem Spannungsteiler zusammengeschaltet sind, und dessen Ausgänge-mit dem invertierenden und nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden sind und mit einem Ausgangsnetzwerks das zwischen Ausgang und invertierenden Eingang des Operationsverstärkers geschaltet ist und ein Verfahren zur Eichung dieser S chaltung.

Bei modernen Instrumentierungen und Regelsystemen besteht die Notwendigkeit j Analogsignale von einer Vielzahl von weit gestreuten Datenquellen zugängig zu machen und diese Signale an einen zentralen Rechner oder ein Datensammelsystem zu übertragen. Dieses Datensammelsystem enthält häufig als Grundbaustein einen Multiplex-Baustein, der auf Adressensignale eines Rechners reagiert, eine von einer Mehrzahl von Datenquellen-auswählt und die so ausgewählten Daten an einen Analog-Bigitalwandler weiterleitet, in dem die analogen Eingabedaten in entsprechende binäre Größen umgewandelt werden„ Auf einen weiteren Befehl des Rechners übermittelt das Datensammelsystem

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diesen digitalen Wert an den Rechner. Der Rechner kann dann in Übereinstimmung mit seiner Programmierung die Eingabedaten verarbeiten und entsprechende Regelgrößen ableiten, mit denen das von ihm gesteuerte Gerät beaufschlagt wird. Zur Sammlung von. Daten und Weiterleitung an zentrale Verarbeitungseinheiten wie beispielsweise Rechner empfehlen sich große Analogaysterne der industriellen Anwendung wie beispielsweise Prozeßsteuerungen, Üfaerwaclningsinstrumentierungen, Datenprotokollierungen, automatische Prüfungen, usw.

Rauschen* das in solchen analogen Systemen überall gegenwärtig ist, kann üblicherweise durch die Verwendung von abgeschirmten Kabeln und anderen bekannten Techniken auf einem ausreichend niedrigen Miveau gehalten werden. Es entstehen jedoch dann Probleme , wenn Gleichtakt-Rauschsignale mit recht hohen Amplituden auftreten« Pur industrielle Anwendungen, bei denen Rauschsignale und Störungen von relativ hoher Amplitude auftreten, können Systemanforderungen aufgestellt werden,, die zufriedenstellende Funktion bei der Anwesenheit von Grleich-taktrauschsignales bei 150 V Drehstrom, 60 Hz auf den. Analogeingängen und bei impulsförmigen Gleichtakt-Rauschsignalen von 2000 V Spitzeaspannung und einer Mikrosekunde Dauer fordern. Wie später noch im Detail gezeigt werden wird, ist die unmittelbare Verwendung von Halbleiterelementen bei solch hohem Rauschniveau nicht ratsam. Aus diesem Grunde werden üblicherweise in solciiea großen Analogsystemen, trotz der aus ihrer Anwendung entstehenden hohen Kosten, vollgeschirmte, erdfreie Instrumentieriingssysteme eingesetzt«

v^rollgescMrmte, erdfreie Instrumente enthalten im wesentlichen eine Hetallhülle, die das Instrument komplett umgibt und die en"fcwe&e:r direkt oder über einen elektromechanischen Multiplexer mit der Abschirmung des Kabels verbunden ist, welches die Eingasgssignale z"u dem Instrument leitet» normalerweise ist die Abschirmung des Kabels an der Signalquelle geerdet und enthält ein verdrilltes Paar von Adern_s die komplett von einer entsprechenden Abschirmung umgeben sind. Um zufriedenstellenden Betrieb zu gewährleisten, ist die Isolation, die in den Gehäu-

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sen verwendet wird, so gut wie möglieh ausgeführt und die kapazitive Kopplung zwischen der Metallhülle und Erde ist darüber hinaus an dem empfangenden Ende so gering wie möglicla gehalten. Wo diese Bedingungen nicht eingehalten werden können, kann erheblicher Gleichtakt-Rauschstrom durch die Abschirmung des Kabels dringen, was wiederum in der Einstreuung von 'S^örraiisehen aufgrund unvermeidlicher Abgleichfehler in Signalquelle, Kabel und Instrument resultiert.

Die Anwendung erdfreier Instrumentierung mit gut isolierten Gehäusen geschieht .normalerweise in Verbindungmit dem Einsatz angemessener Abschirmungen. Solche Vorsichtsmaßnahmen halben - sich als zufriedenstellend erwiesen bei_ einfachen, unmittelbar ablesenden Instrumenten. Wenn jedoch die Instrumente komplexe, elektronische Schaltkreise verwenden und/oder Baten von Datenquellen, die nicht erdfrei ausgeführt sind, sammeln.und übertragen müssen, kann es schwierig, wenn nicht sogar unmöglich sein, die Forderungen nach hoher Isolationsgüte und niedriger kapazitiver Kopplung nach Erde zu erfüllen. Der Einsatz erdfreier Spannungsquellen und Kopplungsschal tkrei.se, die solche hohen Anforderungen erfüllen könnten, ist unvermeidlich ait hohen Kosten verbunden. ^

Darüber hinaus werden passende Eingabe- oder Multiplexergeräte verwendet, um die Kabel zwischen den Datenquellen und den Batensammelsystemen zu isolieren. Solche Multiplexgeräte enthalten typischerweise eine Reihe mechanischer Relais oder Schaltelemente, die durch die Anwesenheit hohe» Rauschens oder durch Störungen nicht beeinträchtigt werden. In anderen Anweadnngsfällen können entsprechende Isoliertransformatoren oder Elemente mit optischer Kopplung angewendet werden, um die erwünschte Trennung zu erreichen.

Bekannte Operationsverstärker, wie beispielsweise in Fig. 1 gezeigt, besitzen eine ihnen eigene Gleichtakt-Rauschunterdrtickung, die in erster Linie auf der Tatsache beruht, daß ihr Aiisgangssignal der Differenz der Eingangs signale V.. und Vp entspricht. Auf diese Art und Weise wird Gleichtakt-Rauschen zwischen den

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Eingängen und Erde weitgehend vom Ausgang des Operationsverstärkers 10 ferngehalten. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, wird beim Stand der Technik das Eingangssignal V. über einen Widerstand E₁ an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 10 gelegt j während das zweite Eingangssignal V₂ über einen anderen Widerstand S₁ an dem nicht invertierenden Eingang liegt. Der suletzt erwähnte Widerstand E- ist zusätzlich über einen Widerstand R₂. mit Erde verbunden. Ein zweiter Widerstand R₂ ^iB^ zwischen dem'Ausgang des Operationsverstärkers 10 und seinen invertierenden Eingang geschaltet. Die Ausgangsspannung V_Q des Operationsverstärkers erhält man entsprechend der folgenden Gleichungι

R₉ ·

Y — —— (Y _ Y )

O'~ R₁ ^l 2 V

Anhand der Gleichung kann man erkennen, daß der Ausgang eine Punktion der Differenz der Eingangssignal V₁ und Vp ist. Der Betriebsbereich solcher Operationsverstärker mit Halbleiterelementen liegt üblicherweise in der Größenordnung von 15 V. Legt man eine Spannung größer als die Betriebsspannung an einen oder beide der Eingänge des Operationsverstärkers■10, so ist es sehr wahrscheinlich, daß der Operationsverstärker erheblichen Schaden leidet, wenn er nicht sogar völlig zerstört wird. Die Anwesenheit von Gleichtakt-Rausehimpulsen hoher Spannung würde normalerweise die Verwendung dieser Operationsverstärker verhindern.

Es besteht die Aufgabe, Gleichtakt-Rauschen, mit dem übertragene Daten behaftet sind, erheblich zu dämpfen und möglichst völlig zu eliminieren. Insbesondere soll dabei die Fähigkeit von Operationsverstärkern, Rauschen zu unterdrücken, Anwendung finden, wobei jedoch das Risiko ihrer Zerstörung aufgrund der Anwesenheit 'hoher Spannungsamplituden ausgeschaltet werden soll.

Die Aufgabe wird mit einer Schaltung zur Unterdrückung von Rauschsignalen der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Werte der zwei Impedanzen des Eingangsnetzwerkes zur Dämpfung der Rauschsignale so ausgewählt sind, daß die Rauschsignale innerhalb der Grenzen des Betriebsbereiches des Operationsverstärkers liegen, daß das Ausgangsnetzwerk eine

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dritte und eine vierte Impedanz aufweist, die in Heine zwischen Ausgang und invertierendem Eingang des Operationsverstärkers geschaltet sind, daß das Ausgangsnetzwerk eine fünfte Impedanz aufweist, die zwischen den Verbindungspunkt von dritter und vierter Impedanz und Erde geschaltet ist, und daß sie die Verstärkung des Operationsverstärkers zur Kompensation der Dämpfung durch das Eingangsnetzwerk erhöhen.

Mit dieser Lösung wurde eine Schaltung gefunden_s die unter Einsatz der dem.Operationsverstärker eigenen Fähigkeit₉ Rauschsig-. .nale zu unterdrücken, arbeitet, jedoch die Zerstörung des Operationsverstärkers aufgrund zu hoher Rauschsignale verhindert» Die Wirkung der Dämpfung eines Eingangsnetzwerkes wird durch ein zwischen Ausgang und invertierenden Eingang des Operationsverstärkers geschaltetes Ausgangsnetzwerk.kompensiert ο

Vorzugsweise wird das Eingangsnetzwerk einen ersten und einen zweiten Widerstand aufweisen, über die ein erstes und ein zweites Eingangssignal' an die Eingänge des Operationsverstärkers geführt sind. Die Schaltung wird weiterhin vorzugsweise einen dritten Widerstand zwischen dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers und Erde aufweisen_s der mit dem zweiten Widersianä. einen Spannungsteiler zur Dämpfung des zweiten Eingangssignales bildet» Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung des Eingangsnetzwerkes wird sowohl das Eingangssignal als auch das Rauschsignal gleichmäßig gedämpft„ Dabei können der erste und zweite Widerstand gleiche Widerstandswerte aufweisen»

Die"drei Impedanzen des Ausgangsnetzwerkes können Widerstände sein_o Diese drei Widerstände des Ausgangsnetswerkes sind zur Kompensation der im Eingang vorgenommenen Dämpfung vorgesehen» Bei richtiger Einstellung können sie in Zusammenwirkung mit dem Operationsverstärker die eingangs vorgenommene Dämpfung völlig ausgleichen»

Vorteilhafterweise wird das Eingangsnetzwerk zusätzlich einen ersten und einen zweiten Kondensator enthalten, die jeweils

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zwischen den ersten und zweiten Widerstand und Erde geschaltet sind.* Diese Kondensatoren dienen insbesondere dazu, Rauschsignale "besonders hoher Amplitude und kurzer Dauer zu unterdrücken.

Zur Gewährleistung einer ordnungsgemäßen Punktion der erfinduflgsgenäßen Schaltung ist es vorteilhaft, wenn die Eichung nacJh. folgendem Verfahren vorgenommen wirds Zunächst wird an die "beiden Eingänge des Eingangsnetzwerkes je eine Spannung von null Volt gelegtο Dabei wird die Verstärkung des Operationsverstärkers so eingestellt, daß an seinem Ausgang ebenfalls null Volt erscheinen,» Ein weiterer Eichschritt kann angeschlossen werden«, "bei dem eine vorgegebene Gleichspannung an den ersten Eingang uad eine Spannung von null Volt an den zweiten Eingang &<sm Eingangsnetzwerkes gelegt werden" und !bei dem der seokste Widerstand so eingestellt wird, daß eis fest vorgegebenes Verhältnis von Äusgasgsspannung zu Eingaagsspannung des erstes Einganges erreicht wircL insoKließend kann eine vorgegeiagne &leichspaanung an äen ersten und den zweiten Eingang des Ejüffigangsnetswerkes gelegt werden, und der dritte Widerstand kann so eingestellt ^er&ens, daß am Ausgang null YoIt erscheinen. Zur Eichung der Kondensatoren kann in eines weiteren liehschritt eine Torgegebeae Wechselspannung an beide Eingänge des Eingangsnetswerles gelegt werden, wobei wenigstens einer der "beiden Kondensatoren so eingestellt Y/irdj daß am Ausgang null Volt ersehe ijaejs.

Die Erfindung "wird im folgendes "beispielhaft anhand der !Figuren 1 Ms 6C beschrieben. Bs zeigen?

Pig. 1 eine sehematische !Darstellung der Bsschaltung eines Operationsverstärkers entsprechend dem Stande der Technik.

Pig«, 2 eine sehematische Barstellung eines A^sfülirungs"beispieles einer Schaltung zur Unterdrückuag ύοώ. Eaiaachsignalen entsprechend der vorliegenden Erfindung.

Pig. 3 eine sohematisohe Darstellung ©in©s weiteren Ausführungs-"beispieles, in dem in Ergänzung der Pig. 2 Kondensatoren im Eingangsnetzwerk vorgesehen sind.

Pig«, 4 eine detailliertere Darstellung der Schaltimg nach Pig.

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Fig. '5 ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung» Fig. 6A, 6B"und 6C zeigen einen Schaltplaa einer Prüfschaltung

zum Nachweis der Eigenschaften der Schaltung in Fig» 59 sowie die Ergebnisse, die "bei der Überprüfung ersielt wurden»

In Fig. 2 ist anhand .eines Ausführungsibeispieles gemäß.- der Erfindung ein Operationsverstärker 10 zu sehen., an dessen invertierendem Eingang ein Eingangssignal T^ über einen Widerstand R₁ gelegt ist. Ein zweites Eingangssignal T₂ ist über' einen zweiten Widerstand R₁ an den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers .10 gelegt. In Übereinstimmung mit den lehren dieser Erfindung enthält das Singangsnetswerk einen Widerstand Rp, der mit dem nicht invertierenden Eingang und Erde verbunden ist, so daß er mit dem zweiten vorher erwähnten Widerstand R₁ eine Spannungsteilerschaltung bildet_s durch die die Eingalbesignale gedämpft werden.= Wie später genauer erklärt wir-d, entspricht der Dämpfungsfaktor dem relativen Widerstandswert der Widerstände R₀ und R^ _o 33er Ausgang des Operationsverstärkers 10 ist über die Widerstände R. und R^₅ die in Reihe geschaltet sind, mit seinem invertierenden Eingang verbunden. Der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen IU

und R. ist über einen weiteren Widerstand R₁- mit Erde verbun-4 P

den. Die Ausgangsspannung Y_Q des Operationsverstärkers 10 ergibt sieh anhand der folgenden Gleichung?, ·

" V= ^K2^Y2 ^{+ K}1^Y1 -

wobei gilt;

τ - ^R3^R4 * ^R3^R5 ^{+ E}4^S5 (3)

¹ " ^RA

3_ · ^R^ ^+S3f5^)+E5^(R1⁴-^R3⁾ (4) +Rn R-J A₁-

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Um eine gute Gleichspannungs-Gleichtakt-TTnterdrückung zu erzielen, werden die Werte K. und K₂ so eingestellt, daß ihre algebraische Summe null ergibt, d.h..:

K₁ + K₂ = 0. ' (5)

Diese Bedingung wird erfüllt, wenn:

^R4 ' ^E5 - ()

Eine Überprüfung der Gleichung 4 zeigt, daß sie in zwei Brüche zerlegt werden kann. Der erste Bruch zeigt an, daß das Eingangssignal durch das Verhältnis

R₂

gedämpft wird, wahrend der zweite Faktor ₄ ^u₁ +±ι₃ +±ί₅; +It₅ i U₁ +A₃; ^Ri^R5

den Betrag darstellt, durch welchen das gedämpfte Signal vom Operationsverstärker 1,0 verstärkt wird. Wenn beispielsweise das Verhältnis der Widerstände von S₂ und R₁ die Werte 1 bis 1.9 annimmt, dann wird die Dämpfung des Ausgangs signal es die Werte 1 bis 20 annehmen. Soll eine einheitliche Verstärkung erzielt werden, so wird der zweite oder Verstärkungsfaktor

(R₁ +R₃+Rg)

gleich 20 sein. Selbstverständlich könnte jeder andere Verstärkungsfaktor durch die entsprechende Wahl der Dämpfung- und Verstärkungsfaktoren erzielt werden.

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Pig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel dieser Erfindung ähnlich dem der Pig. 2. Im einzelnen wird das erste Eingangssignal V.J über ein Paar von in Reihe geschalteten Widerständen R₁/2 an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 10 gelegt. Ein zweites Eingangssignal V₂ ist über ein zweites Eingangspaar von in Reihe geschalteten Widerständen R₁/2 an die nicht invertierende Eingangsklemme des Operationsverstärkers 10 gelegt. Zusätzlich zu den obengenannten Widerständen enthält das Eingangsnetzwerk einen ersten Kondensator¹ C₁, der zwischen die in Reihe geschalteten ersten Widerständen R₁/2 und Erde geschaltet ist. Ein zweiter Kondensator Cp ist zwischen den Verbindungspunkt der zweiten Widerstände R./2 und Erde geschaltet. Die Kondensatoren C.. und C₂ in dem Eingangsnetzwerk sind vorgesehen, um sehr hohe Spitzenspannungen kurzer Dauer, die im Zusammenhang mit impulsförmigen Grleichtaktrauschsignalen auftreten, zu unterdrücken. Wären die Kondensatoren nicht vorhanden, so könnten die Gleichtakt— rauschsignale die Eingänge des Operationsverstärkers 10 mit einer Spannung über dem vorgegebenen Betriebsbereich beaufschlagen, was in schwerwiegender Beschädigung des Operationsverstärkers, wenn nicht sogar in dessen Zerstörung resultierte. Auch hier ist ein Widerstand Rp zwischen den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 10 und Erde geschaltet. Das Ausgangsnetzwerk besteht aus Widerständen R-_s R, und R₁-, die identisch denen in Pig. 2 geschaltet sind»

Durch die in Pig. 3 gezeigte Schaltung wurde ein Eingangsnetzwerk gebildet, durch das $ie Eingangssignale ebenso wie die ihnen überlagerten impulsförmigen G-leichtaktrauschsignale soweit gedämpft werden, daß sie innerhalb des Betriebsbereiches des Operationsverstärkers 10 zu liegen kommen. Im einzelnen wird das zweite Eingangssignal V„ durch ein Spannungsteilernetzwerk gedämpft, das aus den Widerstandselementen ß-j/2 und R₂ besteht. Das erste Eingangssignal V^ wird durch ein Spannungsteilernetzwerk gedämpft, das aus den Widerständen R../2,R.z ,R. und R,-besteht: Werden die Werte der genannten Widerstände in Übereinstimmung mit den-Gleichungen 3, 4 und 5 ausgewählt, so wiuidie Impedanz, die der Widerstand R« dar-

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stellt, weitgehend gleich, sein zu der, die durch, die Schaltkreiskombination der Widerstände IL, in Reihe zu den parallel geschalteten Widerständen R, und R₁- gebildet wird. Auf diese Art und Weise werden beide Eingangs signale Y^ und V„ gleichmäßig gedämpft, um in den Betriebsbereich des Operationsverstärkers 10 zu fallen.

Das Widerstandsnetzwerk, bestehend aus den Widerständen R-, R. und Rp- dient zur Vergrößerung der Gesamtverstärkung des Verstärkers 10, um die im Eingangsnetzwerk "vorgenommene Dämpfung zu kompensieren, funktionell kann die Addition der Widerstände R« und R(- als Spannungsteilernetzwerk angesehen wer&ejs., wobei das Ausgangs signal gedämpft wird, bevor es zu dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 10 zuriickgespeist wird. Als ein Ergebnis dieser Dämpfung des Rückkoppliingssignales nimmt die Gesamtverstärkung des Verstärkers zu.

In Fig. 4 wird ein Gleichtaktanpassungsschaltkreia gezeigt ähnlich dem in Fig. 3, der so ausgelegt ist, daß auch kritische Einstellungen möglich werden. Um das hohe Maß des G-leichgewieJits zu erreichen, das in dem Signalanpassungsschaltkreis erwünscht ist, ist es notwendig, eine Reihe von Einstellungen vorzunehmen, um die unterschiedlichen Toleranzen auszugleichen, die bei kommerziell erhältlichen Schaltkreiskomponenten immer vorhanden sind. Die Bezeichnung in I¹Ig. 4 der einzelnen Sckaltkreiselemente ist soweit wie möglich identisch der in Pig. 5 gewählt. Zusätzlich wurde in Pig. 4 der Widerstand R₅ durch einen festen Widerstand R_Ci und einen verstellbaren Widerstand R,-_o ersetzt. Ahnlich wurde der Widerstand R₀ durch einen festen Widerstand Rp₁ und einen verstellbaren Widerstand Hp₉ ersetzt. Bei der Eichung sind vier unterschiedliche Einstellvorgänge entsprechend folgender Reihenfolge durchzuführen:

1. nullabgleich

2. Abgleich der Verstärkung

3. Albgleich der Verstärkung von Gleichspannungsgleichtaktsignalen

4. Abgleich der Verstärkung von Wechselspannungagleichtaktsignalen.

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Um den 3JuIIaTJgI ei cn oder das interne Gleichgewicht des Operations-verstärkers 10 der Pig..4 einzustellen, werden der invertierende und nicht invertierende Eingang mit Erde verbunden und der Widerstand R-] _Q so eingestellt, daß der Ausgang V_Qde3 Operationsverstärkers 10 null anzeigt-

Danach wird die differenzielle Verstärkungseinstellung vorgenommen, indem der zweite Eingang mit Erde verbunden wird, während der erste Eingang mit einer "bekannten Gleichspannung "beaufschlagt ist, und der Widerstand R^ ρ ^wi^r<i abgeglichen "bis das Verhältnis, der gemessenen Ausgangsspannung V„ zu der bekannten Eingangsspannung V^ dem durch die Gleichung 3 definierten Verhältnis K₁ entspricht. In Bezug auf Pig. 3 garantiert diese Einstellung die richtigen Werte von R₁- im Hinblick auf die Werte der anderen Widerstände, und entspricht dem Wert, der in Gleichung 3 definiert ist. _r

Anschließend wird die Verstärkung der Gleichspannungsgleiektaktsignale eingestellt. Uach Anlegung einer bekannten Gleichspannung sowohl an den ersten als auch an den zweiten Eingang wird der ,Widerstand Rp₂ abgeglichen, bis die Ausgangsspannung V_Q null ist. Dadurch wird gewährleistet, daß K^ + Kp = 0 ist.

Abschließend wird eine Einstellung der Verstärkung von WeciiselspannungsgleichtaktSignalen vorgenommen, indem eine bekannte Wechselspannung sowohl an den ersten als auch an den zweiten Eingang gelegt und der veränderbare Kondensator Gp abgeglichen wird, bis'die Ausgangsspannung V_Q des Operationsverstärkers 10 null ist. Damit ist sichergestellt, daß die Impedanzwerte von G₁ und Cp ebenso wie die Streukapazitäten, im Gleichgewicht sind. '

Man.beachte, daß die Verstärkung der Gleichspannungsgleichtaktsignale, wie sie oben beschrieben ist, ersetzt werden könnte durch einen Eichschritt, bei dem der invertierende Eingang mit Erde verbunden ist, eine bekannte Gleichspannung an den nicht invertierenden Eingang gelegt wird und der Wert des Widerstandes Rpp abgeglichen wird, bis das Verhältnis der gemessenen

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Ausgangsspannung V₀ zu der bekannten Eingangsspannung Vp gleich 3L> ist, wie es durch die Gleichung 4 definiert wurde. Es hat sich jedoch als einfacher erwiesen, eine Gleichspannung an jeden der Eingänge zu legen und den Widerstand Rp₂ ^so abzugleichen, daß die relativen Werte der Widerstandselemente in Übereinstimmung mit K₂ sind, wie es durch Gleichung 4 definiert wurde. Nimmt man die oben beschriebenen Eichainsteilungen an dem Sehaltkreis der Fig. 4 vor, so kann man den signalbeeinflussend en Sehaltkreis zu einem sehr hohen Grade ins Gleichgewicht bringen. Das hohe Maß an Unabhängigkeit von den Schaltkreiselementen stellt sicher, daß diese Einstellungen nur einmal vorgenommen werden müssen, um das erwünschte hohe Maß an Gleichgewichtigkeit herzustellen.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in WirklieMceit ausgeführt wurde und an dem Messungen vorgenommen wurden, um die tatsächliche Unterdrückung von Gleichtaktrauschsignalen, zu demonstrieren. Es ist selbstverständlich, daß Impedanzelemente mit Widerständen und Kapazitäten nicht in den genau angegebenen Werten erhalten werden können, die für einen Hochpräzisionsschaltkreis, wie er hier beschrieben wird, benötigt werden. In solchen Fällen kann es notwendig sein, die erwünschten Widerstandswerte dadurch zu erzielen, daß man handelsübliche Widerstandselemente in Heihe und/oder parallel zueinander schaltet, um die exakten, im Schaltkreis geforderten Werte zu erzielen. In Fig. 5 wurden ebenfalls, soweit wie möglich, die gleichen Bezugsziffern gewählt wie in Fig. 4. In Einzelfällen, wo bestimmte Werte der Widerstandselemente nicht erhältlich waren, wurden Widerstandskombinationen gewählt, um den gewünschten Wert zu erhalten. So wurden beispielsweise die Widerstände R^₁» R^₂ ^{und Ri}53' ^{wie in} -^S* 5 gezeigt, zusammengeschaltet, um den exakten Wert des Widerstandselementes R, aus Fig. 4 zu erzielen. Auf ähnliche Weise sind die Widerstandsele mente Rc-, und Rcp» ^Lie i^Q Fig. 4 in Reihe geschaltet sind, in der tatsächlichen Schaltung so ausgeführt, daß ein erstes Paar von in Reihe geschalteten Widerständen Rc₁₁ ^u*id H^₂ parallel zu einem in Reihe geschalteten Widerstand R,._O1 , R_coo und Rr

o<L\ odd o

liegen. ÄJinlich besteht die Beziehung zwischen den in Heihe

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geschalteten Widerständen R₂₁ ^{und R}22 ^{mit den} ^ide*⁸*⁰·¹¹⁴⁶*^{1 R}211' Rp₁P und Ro-ix ^un<3· ^dem variablen Widerstand R₂₂* ^{In der Scnal}~ tung der Fig. 5 "besteht der Operationsverstärker aus einem ersten und einem zweiten Operationsverstärker 101 und 102, die in Kaskade zusammengeschaltet sind. Der Uullabgleichwiderstand ist in Pig. 5 so dargestellt, daß der Widerstand R-]_O1 zwischen zwei Spannungsquellen von + 15 V und - 15 V geschaltet ist. Wie es oben beschrieben ist, kann der Widerstand R₁Q .abgeglichen werden, um eine Spannung zwischen + 15 V und - 15 V an den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 101 anzulegen, und dadurch den erwünschten Nullabgleich des Operationsverstärkers zu erzielen. Der Widerstand E^pi ^wi-^r& zur Eichung der differentiellen Verstärkung abgeglichen und der Widerstand Rp₂ wird abgeglichen, um die Gleiehspannungsgleichtaktverstärkung zu eichen. Darüber hinaus enthält das Eingangsnetzwerk Kondensatoren Cp₁ und Cp₂, ^d^^{e zw}i^scnen äem invertierenden und dem nicht invertierenden Eingang geschaltet, bzw. mit Erde verbunden sind. Wie oben beschrieben, wird die Wechselspannungsgleichtaktverstärkung hergestellt, indem die verstellbaren Kondensatoren C₂₁ und C₂₂ abgeglichen werden»

In Fig. 6A ist eine Prüfschaltung gezeigt, bei der ein Hochspannungsimpulsrauschgenerator 22, der impulsförmige Gleichtaktstörungen simuliert, einen Impuls hoher Amplitude entlang dem Kabel 25 zu dem signalformenden Schaltkreis 30 führt, der in Fig. 5 beschrieben ist. Die Prüfschaltung beinhaltet weiterhin eine 9-V-Batterie 24 und einen nicht abgeglichenen Widerstand R^. Das Ausgangssignal des signalformenden Schaltkreises wird einem 12-Bit-Analog-Digitalumformer 32 zugeführt, um eine digitale Darstellung des Eingangssignales zu erzeugen. Wie in Fig. 6B gezeigt, wird"von dem Generator 22 ein Impuls von 1200 Y erzeugt und über das Kabel 25 an den signalformenden Schaltkreis 30 geführt. Der Ausgang des signalformenden Schaltkreises 30 ist durch die Kurve in Fig. 6B dargestellt. Wenn auch nur 1200 V Spitzenwert angezeigt ist, wurden Mes-, sungen doch mit Spannungen bis zu 2000 Ύ erfolgreich durchgeführt. Der Analog-Digitalumformer 32 verwendet zwei Hüllkuryen und besitzt eine Integrationsζext von 1/6O Sekunden. Die Wiederholrate der impulsförmigen Störung des' Generators

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war so gewählt, daß wenigstens eine Rauschstörung oder ein Impuls während jeder Analog-Digitalumwandlung stattfand. Eine Aufzeichnung, bei der die Verteilung von Ausgangssignalen, die in 40 unterschiedlichen Messungen erzielt wurden., dargestellt ist, zeigt Fig. 6G. Bezeichnenderweise lag lediglich eine der 40 Messungen um 0,1$ von ihrem tatsächlichen Wert ab.

Zusaismenfassend wurde ein signalformender Schaltkreis beschrieben, der fähig ist, teure., erdfreie Instrumentierungselemente zu ersetzen, und der trotzdem in der Lage ist, G-leichtaktrauschsignale, die typisch in Umgebungen mit hohem Rauschniveau auftreten, beträchtlich zu unterdrücken.

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Claims (11)

1. - 15 - Case 42 858 Patentansprüche

   . Schaltung zur Unterdrückling τοη Rauschsignalen mit einem Operationsverstärker, der Eingangssignale innerhalb eines vorgegebenen .Betriebsbereiches verstärkt, mit einem Eingang snetzwerk, dem ein Eingangssignal und ein Gleichtakt— Rausclisignal zugeführt sind, das eine erste- und eine zweite Impedanz aufweist,· die zu einem Spannungsteiler zusammengeschaltet sind, und dessen Ausgänge mit dem invertierenden und nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden sind und mit- einem Ausgangsnetzwerk, das zwischen Ausgang und invertierendem Eingang des Operationsverstärkers geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte der zwei Impedanzen (R.. , R_? C., G„) des Eingangsnetzwerkes zur Dämpfung der Rauschsignale so ausgewählt sind_s daß die Rauschsignale innerhalb der Grenzen des Betriebsbereiehes des Operationsverstärkers (10) liegen, daß das Ausgangsnetzwerk eine dritte und eine vierte Impedanz (R^₅ E.) aufweist, die in Reihe zwischen Ausgang (Tq) und invertierendem Eingang (-) des Operationsverstärkers (10) geschaltet sind, daß das Ausgangsnetzwerk eine fünfte Impedanz (S₁-) aufweist, die zwischen dem Verbindungspunkt von dritter und vierter Impedanz und Erde geschaltet ist, und daß die Werte der vierten und fünften Impedanz so ausgewählt sind, daß sie die Verstärkung des Operationsverstärkers zur Kompensation der Dämpfung durch das Eingangsnetzwerk erhöhen.
2. 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß- das Eingangsnetzwerk einen ersten und einen zweiten Widerstand (R.) aufweist, über die-ein erstes und ein zweites Eingangssignal (V₁, Tp) an die Eingänge des Operationsverstärkers (-,+) geführt sind.
3. 3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Widerstand (Rg) zwischen den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (+) und Erde geschaltet ist, so daß mit dem zweiten Widerstand ein Spannungsteiler zur Dämpfung des zweiten Eingangssignales entsteht.

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4. 4. Schaltung nach Anspruch 2 odEr 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Widerstand gleiche Widerstandswerte aufweisen.
5. 5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Impedanzen des Ausgangsnetzwerkes Widerstände (R-*, ~R., Rf-) sind.
6. 6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangsnetzwerk zusätzlich einen ersten und einen zweiten Kondensator (C₁, C-) enthält, die jeweils zwischen den ersten und zweiten Widerstand (R₁) und Erde geschaltet sind,
7. 7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandswerte des ersten und zweiten Widerstandes mit R₁, des dritten Widerstandes mit R₂, ^es vierten Widerstandes mit R^ des fünften Widerstandes mit R- und des sechsten Widerstandes mit R₁- bezeichnet sind, und daß folgende mathematische Beziehungen zwischen diesen Widerständen besteht:

   R₃R₄₊R₃R₅₊R₄R_{5 =} R₂R₄(R₁+R₃₊R₅)+R₂R₅(R₁+R₃)
8. 8. Verfahren zur Eichung einer Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an die beiden Eingänge des Operationsverstärkers je eine Spannung von null Volt gelegt wird, und daß die Verstärkung des Operationsverstärkers so eingestellt wird, daß an seinem Ausgang null Veit erscheinen.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine vorgegebene Gleichspannung an den ersten Eingang und eine Spannung von null Volt an den zweiten Eingang des Eingangsnetzwerkes gelegt werden, und daß der sechste Widerstand so eingestellt wird, daß ein fest vorgegebenes Verhältnis von Ausgangsspannung zu Eingangsspannung des ersten Eingangs erreicht wird.

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10. 1O.«Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine vorgegebene G-leichspannung an den ersten und den zweiten Eingang des Eingangsnetzwerkes-gelegt wird, und daß der dritte Widerstand so¹ eingestellt wird, daß am Ausgang null YoIt erscheinen.
11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine vorgegebene Wechselspannung an "beide Eingänge des Eingangsnetzwerkes gelegt wird, und daß wenigstens einer der beiden Kondensatoren so eingestellt wird, daß am Ausgang null Volt erscheinen.

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