DE3130476C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Verstärkung und Austastung von multiplexierten Analogsignalen, bestehend aus einer kontinuierlichen Verstärkungskette mit mehreren in Reihe angeordneten Verstärkungselementen, deren Verstärkungsgrade mit Hilfe von Schaltern verschiedene vorbestimmte Werte annehmen können, und aus Schaltungen zur Bildung elektrischer Spannungen abhängig von der Richtung der Abweichung oder des Rauschens der in der Verstärkungskette erzeugten Spannung und zur Anlegung von Korrekturspannungen, sowie aus Speichern für die verstärkten Spannungen und aus Schaltern, mit denen die multiplexierten Signale oder die gespeicherten Spannungen an ein Verstärkungselement angelegt werden.

Die Erfindung ist insbesondere anwendbar auf die Verstärkung von multiplexierten Signalen großer Dynamik, d. h. von Signalen, deren Pegel großen Schwankungen unterliegt. Die Schaltungsanordnung ist insbesondere für den Einbau in einer Erfassungskette für seismische Daten zwischen einem Multiplexer und einem Analogdigitalwandler gedacht.

Nach einem bekannten Verfahren werden seismische Signale, die von den einzelnen Sonden oder Gruppen von Sonden kommen, direkt an den Eingang eines Analogmultiplexers angelegt, gegebenenfalls nach einer Vorverstärkung in einem Vorverstärker mit festem Verstärkungsgrad. Der Ausgang des Multiplexers, an dem die aufeinanderfolgenden Signale betreffend die einzelnen Tastproben verfügbar sind, ist an einen einheitlichen Verstärker angeschlossen, der aus einer Reihenschaltung von Verstärkungselementen besteht, indem der Ausgang jedes Elements an den Eingang des nachfolgenden Elements angeschlossen ist. Der Verstärkungsgrad jedes Verstärkungselementes ist fest und wird vorzugsweise gleich einer ganzzahligen Potenz von zwei gewählt.

Da die Amplitudenschwankungen zwischen zwei aufeinanderfolgenden beliebigen Tastproben sehr groß sein können, wählt ein Auswahlorgan die Anzahl von Verstärkungseinheiten aus, die jedes Signal durchlaufen muß, damit ein optimaler Pegel erreicht wird. Dieses Organ schaltet dann das Ausgangssignal des Verstärkungselements an dem dieses Signal verfügbar ist, auf den Eingang eines Analogdigitalwandlers, der mit einem Registriersystem verbunden ist. Gemäß einer ersten Variante, die beispielsweise in der FR-PS 21 10 758 beschrieben ist, besitzen alle Verstärkungselemente denselben Verstärkungsgrad. Nach einer zweiten Variante werden die Verstärkungsgrade der verschiedenen Verstärkungselemente der Kette unterschiedlich voneinander gewählt, und ihre Werte werden unter aufeinanderfolgenden Potenzen von zwei ausgewählt. Ein Ausführungsbeispiel wird in der FR-OS 23 73 914 beschrieben, die einen aus n Stufen bestehenden Verstärker betrifft, wobei der Verstärkungsgrad einer beliebigen Verstärkungsstufe gleich dem Quadrat des Verstärkungsgrads der vorhergehenden Verstärkungsstufe gewählt ist.

Die aus einer Kette von Verstärkungselementen bestehenden Verstärker weisen zahlreiche Nachteile auf:

• - die Verstärker sind relativ langsam, da die von den verschiedenen Verstärkungselementen den die Kette durchlaufenden Signalen zugeführten Verzögerungen sich häufen;
• - die Wirkungen der relativ großen Laufzeiten in jedem Verstärkungselement im Impulsbetrieb, gekennzeichnet durch die Anstiegszeit der Spannung und kumuliert über alle in Reihe geschalteten Verstärkungselemente, führen zu einer Vergrößerung der Gesamtverzögerung am Ausgang des Verstärkers;
• - die vom Auswahlorgan durchzuführende Wahl des Verstärkungsgrads, d. h. die Auswahl des Stufenausgangs, an dem die Amplitude der verstärkten Tastprobe optimalen Wert besitzt, steigt mit der Länge der Verstärkungskette an;
• - wenn man den Verstärkungsgrad jeder Stufe erhöht, um die Anzahl der Verstärkungselemente zu verringern, dann muß man einen Analogdigitalwandler verwenden, der bei gegebener Genauigkeit längere Digitalwörter behandeln muß;
• - man kann außerdem die Sättigung der Verstärkungselemente erwähnen, die beim Übergang von einer Tastprobe geringer Amplitude auf eine Tastprobe mit deutlich größerer Amplitude auftritt.

Außerdem besteht ein Nachteil von Datenerfassungsketten mit einem kopfseitigen Multiplexer darin, daß man für die Speicherung des Werts einer Tastprobe während der Zeit, in der der Verstärkungsgrad festgelegt wird, ein Speicherelement braucht, üblicherweise Tast- und Haltekreise genannt, das vor dem Verstärker liegt und deshalb Signale großer Dynamik verarbeiten muß, d. h. sowohl Signale großer Amplitude wie Signale kleiner Amplitude. Nun ist aber bekannt, daß übliche Tast- und Haltekreise zwei aufeinanderfolgende Tastproben nicht ohne gegenseitige Beeinflussung (Diaphonie) speichern können und daß der gespeicherte Amplitudenwert einer Tastprobe deshalb nicht unabhängig ist vom gespeicherten Amplitudenwert der vorhergehenden Tastprobe. Die durch die Diaphonie entstehenden Fehler gelangen an den Eingang des Verstärkers und können im ungünstigsten Fall mit dem maximalen Verstärkungsfaktor der Verstärkungskette verstärkt werden. Außerdem sind die Tast- und Haltekreise im allgemeinen mit Speicherkondensatoren und zwei Pufferverstärkern ausgerüstet, die die Verstärkungskette verlängern. Daher sind fünf oder sechs Verstärkungselemente mindestens für einen Verstärker notwendig.

Bekannt ist auch eine Verstärkungs- und Tasteinrichtung für Signale großer Dynamik (DE-OS 30 40 553). Vorgesehen ist eine Verstärkungskette, bestehend aus drei in Reihe geschalteten Verstärkern, wobei der Verstärkungsgrad der beiden letzten Stufen so ist, daß er mehrere unterschiedliche Werte annehmen kann. Tast- oder Probennahmeeinrichtungen umfassen Speicherkondensatoren, welche Schaltern zugeordnet sind und die dazu verwendet werden, die verstärkten Spannungen zu speichern. Anderer Schalter ermöglichen es, selektiv die verstärkten Signale aus einer der beiden Verstärkungsstufen an den Eingang der Verstärkungskette zu legen, und zwar entsprechend dem von den Signalen an den Ausgängen dieser beiden letzten Stufen erreichtem Niveau.

Allgemein im Stand der Technik war also in Kauf zu nehmen, daß die Vervielfachung der Anzahl von in Reihe geschalteten Verstärkungsstufen das Verstärkerdurchlaßband vermindert und die Dauer des Verstärkungszyklus beeinflußt, der als Funktion der vom verstärkten Signal durchlaufenen Stufen variiert. Vermindert man dagegen die Anzahl der Verstärkungsstufen, so muß dagegen ein Analog-Digitalwandler mit einer größeren Dynamik (was also aufwendiger ist) verwendet werden und es müssen die Gefahren der Sättigung berücksichtigt werden, die sich in jeder der Verstärkungsstufen einstellen können. Zu nennen sind auch die Störeffekte der Tast- und Haltekreise, die vor dem Verstärker angeordnet sind und die also auf Eingangssignale großer Dynamik wirken; hierdurch wird die Kette der Verstärkungsstufen verlängert; Diaphonie zwischen aufeinanderfolgenden Proben wird erzeugt.

Demgegenüber liegt die Erfindung der Aufgabe zugrunde, einen Verstärker mit einer sehr begrenzten Anzahl von Stufen zu schaffen, die je einen geringen Verstärkungsgrad haben, deren Verstärkungsgesamtdynamik jedoch sehr große derart ist, daß man einen Analog-Digitalwandler ziemlich verminderter Dynamik einsetzen kann und gleichzeitig die verstärkten Signale zu tasten, indem man die Verwendung eines Tast- und Haltekreises vor dem Verstärker, was viele Nachteile schafft, vermeidet.

Erreicht wird dies erfindungsgemäß dadurch, daß die Speicher für die verstärkten Spannungen mehrere Tast- und Haltekreise SH₁, SH₂, SH₃ aufweisen, deren Eingänge dauernde an einen Ausgang eines Elementes der Kette angelegt sind, und daß Auswahleinrichtungen vorgesehen sind, die die Auswahl der Schalter Ig₁₁ bis Ig₂₁₆ für die Auswahl der Verstärkungsgrade sowie der Schalter abhängig vom Vergleich zwischen der einzigen Ausgangsspannung Vs der kontinuierlichen Verstärkungskette G₁, G₂ und zwei positiven bzw. negativen Bezugsspannungen V _R +, V _R- vornehmen und diese ausgewählten Schalter und Schalteinrichtungen sowie die Tast- und Haltekreise so steuern, daß die kontinuierliche Verstärkungskette einen optimalen Gesamtverstärkungsgrad erhält.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung schafft also die Verstärkung mit einer verminderten Anzahl von Stufen, in Praxis zwei, die in Reihe mit einer Pufferstufe geschaltet sind. Der Verstärkungsgrad eines jeden hiervon ist begrenzt (höchstens G = 16). Realisiert wird auch das Tasten oder das Probennehmen vermittels Taster, die längs der Verstärkungskette und nicht am Kopf angeordnet sind.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung benutzt man nur zwei Verstärkungselemente deren Verstärkungsgrad aus mehreren vorgegebenen Werten bis höchstens zum Wert 16 ausgewählt werden kann und man erhält alle Verstärkungsgrade zwischen 1 und 16⁴ durch die Benutzung einer Folge von geeigneten Verstärkungen, die nachfolgend beschrieben wird. Dadurch vermeidet man eine lange Kette von Verstärkungselementen oder auch hohe Einzelverstärkungen der Verstärkungselemente in Verbindung mit einem komplexeren Analog-Digitalwandler. Die Verwendung von Tast- und Haltekreisen am Ausgang der Verstärkungselemente der Kette und deren wahlweisen ausgangsseitigen Anschluß an einen Eingang eines der Verstärkungselemente ermöglicht außerdem einen Verzicht auf die Verwendung von kopfseitigen Tast- und Haltekreisen, die in Reihe mit den Verstärkungselementen angeordnet sind.

Durch die Erfindung wird außerdem der Einfluß von Fehlern aufgrund der Diaphonie zwischen aufeinanderfolgenden Tastproben verringert.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung.

Fig. 2 zeigt ein Auswahldiagramm für die Verstärkungsgrade der einzelnen Verstärkungselemente im Verlauf einer Verstärkungsfolge für eine analoge Signalprobe.

Fig. 3 zeigt Zeitdiagramme von in den Auswahlmitteln während der Phase der zyklischen Messung der die Verstärkungskette betreffenden Abweichungen gebildeten Signale.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist beispielsweise an den Ausgang eines Multiplexers 1 (Fig. 1) angeschlossen. Diese Schaltungsanordnung weist eine Verstärkungskette auf, die einen Operationsverstärker A₀ mit Einheitsverstärkung enthält, der als Isolations- oder Pufferverstärker dient. Sein nicht invertierender Eingang ist an den Ausgang des Multiplexers 1 angeschlossen, und sein Ausgang ist über einen Schalter oder Unterbrecher S₀ an den nicht invertierenden Eingang eines ersten Verstärkungselements A₁ angelegt, das als Operationsverstärker ausgebildet ist.

Der Ausgang dieses Verstärkers ist an Masse über drei Widerstände in Reihe R₁₁, R₁₂ und R₁₃ angeschlossen. Der invertierende Eingang des Verstärkers A₁ ist an den Ausgang dieses Verstärkers über einen Schalter Ig₁₁ angeschlossen, an den Verbindungspunkt der Widerstände R₁₁ und R₁₂ über einen Schalter Ig₁₄ und an den Verbindungspunkt der Widerstände R₁₂ und R₁₃ über einen Schalter Ig₁₁₆. Die drei Widerstände R₁₁, R₁₂, R₁₃ und die drei Schalter Ig₁₁, Ig₁₄, Ig₁₁₆ bilden ein Gegenkopplungsnetz üblicher Art, mit dem der Verstärker A₁ entweder auf den Einheitsverstärkungsgrad oder auf einen Verstärkungsgrad von 4 oder auf einen Verstärkungsgrad von 16 eingestellt werden kann. Der Ausgang des Verstärkungselements A₁ ist an den nicht invertierenden Eingang eines weiteren Operationsverstärkers A₂ angeschlossen, der das zweite Verstärkungselement der Kette bildet und dessen Ausgang über drei Widerstände R₂₁, R₂₂ und R₂₃ in Reihe an Masse angeschlossen ist. Der invertierende Eingang dieses Verstärkungselements ist an den Ausgang desselben Elements über einen Schalter Ig₂₁, an den Verbindungspunkt der Widerstände R₂₁ und R₂₂ über einen Schalter Ig₂₂ und an den Verbindungspunkt der Widerstände R₂₂ und R₂₃ über einen Schalter Ig₂₁₆ angeschlossen. In gleicher Weise bilden die Widerstände R₂₁, R₂₂ und R₂₃ mit den Schaltern Ig₂₁, Ig₂₂ und Ig₂₁₆ ein Gegenkopplungsnetzwerk, mit dem der Verstärkungsgrad dieses Elements A₂ entweder auf den Einheitswert oder den Wert 2 oder den Wert 16 eingestellt werden kann. Der Ausgang des Verstärkers A₂ bildet den Ausgang S der Verstärkungskette. Die Ausgänge der Verstärkungselemente A₀, A₁ und A₂ sind je an einen Eingang eines von drei Tast- und Haltekreisen SH₁, SH₂, SH₃ üblicher Bauart angeschlossen. Die Tast- und Haltekreise besitzen je zwei Verstärker a₁ und a₂, die miteinander über einen Schalter I verbunden sind und einen ersten Anschluß haben, an den ein Speicherkondensator C₁, C₂ bzw. C₃ angeschlossen ist, deren anderer Pol an Masse liegt, und einen zweiten Anschluß, an den ein von den Auswahlmitteln erzeugtes Signal Se zur Steuerung der kurzzeitigen Speicherung der von den Ausgangsspannungen der Verstärkungselemente A₀, A₁ und A₂ zu Beginn jeder Verstärkungsfolge angelegt werden kann. Die Ausgänge der Kreise SH₁, SH₂ und SH₃ sind je über einen Widerstand 14, 15 und 16 des Werts R₁ und über je einen Schalter S₁, S₂ und S₃ an den nicht invertierenden Eingang des Verstärkungselements A₁ angeschlossen. Die Gesamtheit der Schalter S₀, S₁, S₂ und S₃ bildet die Schaltmittel. Die Verwendung von Tast- und Haltekreisen in der Form komplexer Schaltkreise ist sehr vorteilhaft:

• - die Kondensatoren C₁, C₂ und C₃ werden nicht direkt von den Verstärkungselementen A₀, A₁ und A₂ aufgeladen, sondern über die Trennverstärker a₁, die spannungsgesteuert sind. Dadurch vermeidet man kumulierte Signalverzögerungen, die die Ansprechzeit der miteinander in Reihe verbundenen Verstärkungselemente beeinflussen würden, falls sie einen Strom direkt in die Kondensatoren liefern müßten;
• - die Kondensatoren C₁, C₂ und C₃ sind von den Schaltern S₁, S₂ und S₃ durch die Verstärker a₂ getrennt, so daß der Einfluß dieser Schalter auf die gespeicherten Spannungen vermieden wird.

Der Ausgang des Verstärkungselements A₂ ist an den nicht invertierenden Eingang eines Komparators 2 angeschlossen, dessen invertierender Eingang an Masse liegt. Der Ausgang des Komparators 2 ist an die Steuereingänge von Speicherelementen angeschlossen, die im vorliegenden Fall aus drei bistabilen Kippstufen 3, 4 und 5 mit je einem Setzeingang (D) bestehen. Die Spannungen, die an den Ausgängen (Q) dieser drei Kippstufen verfügbar sind, versorgen je ein Integrationselement oder einen Integrator 6, 7, 8, der in üblicher Weise aus einem Operationsverstärker 9, 10 bzw. 11 und einem passiven R-C-Schaltkreis besteht, wobei der invertierende Eingang jedes Verstärkers an den Ausgang desselben Verstärkers über einen Kondensator 17, 18 bzw. 19 des Werts C sowie an den Ausgang der entsprechenden Kippstufe 3, 4 und 5 über einen Widerstand 20, 21 bzw. 22 des Werts R angeschlossen ist. Aufgrund der Tatsache, daß die Kippstufen von einer Spannung V versorgt werden, während die in der Schaltungsanordnung verwendeten Verstärker mit zwei symmetrischen Spannungen +V und -V versorgt werden, ist der Verbindungspunkt des jeweiligen R-C-Gliedes 17, 20 bzw. 18, 21 bzw. 19, 22 an die negative Spannungsquelle -V über einen Widerstand 23, 24 bzw. 25 des Werts 2R angeschlossen. Die Steuereingänge CK der Kippstufen 3, 4 und 5 erhalten Impulssignale H₁, H₂ und H₃ zugeführt, die durch eine Gruppe logischer Glieder 12 erzeugt werden. Die an den Ausgängen der Integratoren 6 und 7 verfügbaren Spannungen U₁ und U₂ werden an je einen Verbindungspunkt eines der Schalter S₁ und S₂ mit dem Widerstand 14 bzw. 15 über einen Widerstand 26 bzw. 27 des Werts R₂ angeschlossen. Das am Ausgang des Integrators 8 verfügbare Signal U₃ wird an den invertierenden Eingang des Isolationsverstärkers A₀ über einen Widerstand 31 des Werts R₃ angeschlossen. Der Verbindungspunkt zwischen dem Schalter S₃ und dem Widerstand 16 ist über einen Widerstand 28 des Werts R₂ an Masse angeschlossen. Die aus dem Komparator 2 und den Kippstufen 3, 4 und 5 gebildete Einheit bildet die Steuermittel der Integratoren.

Der Ausgang des Verstärkungselements A₂ ist an den Eingang eines Vergleichselements 13 bekannter Bauart angeschlossen, das beispielsweise zwei Vergleichsverstärker A₃ und A₄ enthält. Diese vergleichen die Ausgangsspannung V _S der Verstärkungskette mit zwei Bezugsspannungen gleichen Absolutwerts aber umgekehrten Vorzeichens V _{R +} und V _{R -}. Die Ausgänge der Vergleichsverstärker A₃ und A₄ sind an die Eingänge eines ODER-Glieds 29 angeschlossen. Das Signal KP, das von diesem Glied geliefert wird, nimmt unterschiedliche Werte an, je nachdem ob das Ausgangsmaterial der Kette zwischen den beiden symmetrischen Bezugsspannungen liegt oder außerhalb dieser Werte. Es sei festgelegt, daß das Signal KP den logischen Wert 1 annimmt, wenn |V _S | < |V _R |, während dieses Signal den Wert 0 annimmt, wenn |V _S | |V _R |. ist. Hierbei bedeutet |V _R | den gemeinsamen Absolutwert der beiden Bezugsspannungen V _{R +} und V _{R -}.

Die Gruppe logischer Glieder 12 ist an einen Taktgeber 30 angeschlossen, der zyklische Impulse M₀, M₁, M₂, . . . M₇ liefert, die aufeinanderfolgende Zeitpunkte definieren. Außerdem wird das Ausgangssignal des Vergleichselements 13 dieser Gruppe logischer Glieder 12 zugeführt. Diese Gruppe bildet die Steuersignale für die Schalter Ig₁₁ bis Ig₁₁₆, Ig₂₁ bis Ig₂₁₆, S₀ bis S₃ sowie für die Tast- und Haltekreise SH₁, SH₂, SH₃ und die Kippstufen 3, 4 und 5 in Einklang mit den Diagrammen in Fig. 2 und den logischen Funktionen E₀ bis E₄, die weiter unten erläutert werden. Diese Gruppe vermag auch die Werte des Verstärkungsgrads, mit dem jede der aufeinanderfolgenden Tastproben behandelt wird, in Form von Binärzahlen zu speichern und an vier Ausgängen g₀, g₁, g₂ und g₃ gemäß der Binärwichtung 1, 2, 4 und 8 auszugeben. Das Vergleichselement 13, die Gruppe logischer Glieder 12 und der Taktgenerator 30 bilden die Auswahlmittel der Schaltungsanordnung.

Der nachfolgend erläuterte Betrieb der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung unter Steuerung durch die Gruppe logischer Glieder 12 ist im Diagramm gemäß Fig. 2 dargestellt. Jeder Verstärkungszyklus für eine Tastprobe enthält

• - eine Vorstufe E₀ für die Tastung, während der den Tast- und Haltekreisen SH₁, SH₂ und SH₃ Spannungen zugeführt werden, die der augenblicklichen Eingangsspannung, der um den Faktor 16 verstärkten Eingangsspannung und der um den Faktor 256 verstärkten Eingangsspannung entsprechen;
• - vier darauffolgende Stufen E₁, E₂, E₃ und E₄ zum Speichern und selektiven Anlegen einer der gespeicherten Spannungen an die Verstärkungselemente A₁ und A₂. Im Verlauf dieser vier Stufen wählt man den Verstärkungsgrad für diese beiden Verstärkungselemente derart, daß eine optimale Ausgangsspannung entsteht, die mit dem höchsten in den nachgeordneten Schaltelementen (beispielsweise Analog- Digitalwandler) zulässigen Pegeln kompatibel ist.

Nachfolgend wird das Steuersignal für einen der Schalter S (S₀ bis S₃) oder Ig (Ig₁₁ bis Ig₂₁₆) folgendermaßen bezeichnet: [S] oder [Ig] in Verbindung mit der zugeordneten Bezugszahl. Wenn dieses Signal den logischen Wert 1 hat, dann ist der zugeordnete Schalter geschlossen, während der logische Wert 0 dem geöffneten Schalter entspricht.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung arbeitet folgendermaßen:

Es wird angestrebt, das abgetastete Signal um einen solchen Faktor zu verstärken, daß es in den Bereich zwischen den Bezugswerten V _{R -} und V _{R +} gelangt. Die Behandlung der Tastproben erfolgt in den folgenden Stufen:
Stufe E₀ (siehe Fig. 2)

• - man schaltet den Multiplexer 1 auf einen bestimmten Empfangskanal;
• - nun erfolgt die Tastung. Die Gruppe logischer Glieder 12 steuert das Schließen des Schalters S₀ und der Schalter Ig₁₁₆ bis Ig₂₁₆ und bildet das Signal S _e für die Steuerung der Probenentnahme der an den Ausgängen der Verstärkungselemente A₀, A₁ und A₂ verfügbaren Signale durch Schließen der Schalter I.

Die Stufe E₀ kann durch die folgenden logischen Gleichungen zusammengefaßt werden:

Stufe E₁

• - Nun erfolgt ein erster Vergleich des Ausgangssignals V _S mit den Bezugsspannungen V _{R +} und V _{R -}; das Signal KP nimmt den Wert KP₀ an, worauf die Gruppe logischer Glieder 12 den Schalter Ig₂₁ schließt, den Schalter S₀ öffnet und die Speicherung der Ausgangsspannungen der Verstärker A₀, A₁ und A₂ in den Kondensatoren C₁, C₂ und C₃ durch das Signal S _e bewirkt. Die logischen Werte der Signale [S₂] und [S₃], die die Schalter S₂ und S₃ steuern, hängen vom logischen Wert [KP] des Signals KP am Ausgang des Komparators ab. Es sei vereinbart, daß das logische Signal [KP] das komplementäre Signal des Signals [KP] ist.

Diese Operationen bilden die Stufe E₁, die durch die folgenden logischen Gleichungen zusammengefaßt werden kann:

Wenn beispielsweise [KP₀] = 0 ist, dann wird der Schalter Ig₁₁ geöffnet und der Schalter Ig₁₁₆ geschlossen. Da Ig₂₁ geschlosen ist, ergibt sich in diesem Fall eine Gesamtverstärkung gleich 16.

Es ist klar, daß im gegenteiligen Fall, in dem [KP₀] = 1 ist, die Gesamtverstärkung der Kette der Einheitsverstärkung entspricht, wie sich aus den obigen logischen Gleichungen ergibt.

Stufe E₂

• - Nun erfolgt ein zweiter Vergleich des Signals V _S mit den Bezugswerten V _{R +} und V _{R -}, worauf das Signal KP den Wert KP₁ annimmt. Die Gruppe logischer Glieder hält den Schalter S₀ offen und die Tast- und Haltekreise SH₁, SH₂ und SH₃ in Haltestellung. Zugleich wird der Schalter Ig₂₁ geschlossen, während der Schalter S₃ in dem Zustand bleibt, in dem er während der vorhergehenden Stufe war. Der Schalter Ig₁₄ und die Schalter S₁ und S₂ werden abhängig von den Werten von KP₁ und [S₃] eingestellt. Wenn [Ig₁₄] = 0 ist, dann wird der Verstärkungsgrad des Verstärkungselements A₁ nicht verändert. Diese Operationen bilden die Stufe E₂ und können folgendermaßen durch logische Gleichungen ausgedrückt werden:

Wenn beispielsweise [KP₁] = 0 ist, dann geben die logischen Gleichungen dieser Stufe an, daß der Schalter Ig₁₄ geschlossen ist. Da Ig₂₁ ebenfalls geschlossen ist, ergibt sich eine Gesamtverstärkung mit dem Faktor 4.

Stufe E₃

• - Nach einem dritten Vergleich des Ausgangssignals V _S mit den Bezugswerten V _{R +} und V _{R -}, wobei das Signal KP einen neuen Wert KP₂ annimmt, wird der Schalter Ig₂₂ durch die Gruppe logischer Glieder 12 geschlossen, wird der Schalter Ig₁₁₆ in seinem vorherigen Zustand belassen, ebenso wie die Tast- und Haltekreise und der Schalter S₀ und werden die Schalter Ig₁₁ und Ig₁₄ gemäß den vorliegenden Werten von [KP₂] und [Ig₁₁₆] eingestellt.

Diese Operationen bilden die dritte Stufe, die durch die folgenden logischen Gleichungen zusammengefaßt werden kann:

Falls [KP₂] = 0 ist, geben die logischen Gleichungen dieser Stufe an, daß der Schalter Ig₁₄ geschlossen ist. Da der Schalter Ig₂₂ ebenfalls geschlossen ist, ergibt sich eine Gesamtverstärkung der Kette um den Faktor 8.

Stufe E₄

• - Nun erfolgt ein letzter Vergleich der Ausgangsspannung V _S der Kette mit den Bezugswerten, und das Signal KP nimmt einen letzten Wert KP₃ an. Die Gruppe logischer Glieder 12 schaltet den Schalter Ig₂₁ oder Ig₂₂ gemäß dem logischen Wert von KP₃ um und läßt gleichzeitig die anderen Signale unverändert. Die logischen Gleichungen dieser Stufe 4 sehen folgendermaßen aus:

Wenn beispielsweise KP₃=0 ist, dann sind die Schalter Ig₁₄ und Ig₂₂ geschlossen, so daß sich ein Gesamtverstärkungsgrad der Kette des Werts 8 ergibt, wie die logischen Gleichungen dieser Stufe zeigen.

Diese Folge von Vergleichen und aufeinanderfolgenden Umschaltungen führt dazu, daß das Ausgangssignal V _S um einen Faktor G = G₁ · G₂ verstärkt ist, der aus einer Menge von aufeinanderfolgenden Potenzen der Zahl 2 zwischen 2⁰ und 2¹³ ausgewählt ist, wobei die Ausgangsspannung V _S zwischen den Bezugswerten V _{R -} und V _{R +} zu liegen kommt.

Die Folge von Vergleichen und Anpassungen der Verstärkungsgrade G₁ und G₂ läuft für jede der aufeinanderfolgenden Tastproben, die vom Multiplexer 1 geliefert worden sind ab, mit Ausnahme für den Bezugskanal, der an Masse liegt. Während des Zeitraums Δ T(V₀) in dem die Bezugsspannung V₀, beispielsweise Massenpotential, am Eingang der Verstärkungskette anliegt, erfolgt ein Korrekturzyklus für die Abweichungsspannung oder das Rauschen. Die Gruppe logischer Glieder 12 bildete (siehe Fig. 3) in diesem Zeitraum Steuerimpulse [S₀] = [Ig₁₁₆] = [Ig₂₁₆] = S _e = 1, wodurch die Bezugsspannung sowie die Ausgangsspannungen der Verstärkungselemente A₁ und A₂ mit den Verstärkungsgraden G₀ = 1, G₁ = 16, G₂ = 16 in den Tast- und Haltekreisen SH₁, SH₂ und SH₃ erfolgt. Darauf bildet die Gruppe logischer Glieder 12 nacheinander Steuerimpulse, mit denen die Schalter S₁, S₂ und S₃ geschlossen werden. Während dieser Impulse bildet die Gruppe logischer Glieder 12 nacheinander Impulssignale H₁, H₂ und H₃ zur Einstellung der Kippstufen 3, 4 und 5. So werden nacheinander diese Kippstufen eingeschaltet, wodurch die Spannungswerte am Ausgang des Verstärkers 2 in den Integratoren 6 bis 8 eingespeichert werden.

Wenn das Ausgangssignal V _S zu Beginn der Signale H₁, H₂ oder H₃ positiv ist, dann kippt die entsprechende Kippstufe in den Zustand 1. Im entgegengesetzten Fall, wenn das Signal V _S negativ ist, stellt sich diese Kippstufe auf den Wert 0 ein.

Die Integratoren 6, 7 und 8 übertragen die diskontinuierlichen Spannungsstufen, die an den Ausgängen Q der Kippstufen verfügbar sind, in zunehmend steigende oder abnehmende Spannungen U₁, U₂ bzw. U₃ mit linearer Variation und legen diese Spannungen über die Widerstände 26 und 27 an die Schalter S₁ und S₂ sowie über den Widerstand 31 an den invertierenden Eingang des Isolationsverstärkers A₀, und zwar während der ganzen Dauer der aufeinanderfolgenden Tastzyklen für alle Kanäle des Multiplexers 1, so daß Abweichungen, die die Verstärkungselemente betreffen könnten, kompensiert werden. Die Wirkungen des Kompensationssystems können durch Einstellung der Zeitkonstante der Integratoren verändert werden.

Im allgemeinen bewirkt die Korrekturspannung mit linearer Variation eine Umkehrung des Richtungssinns der Abweichungsspannung in der Verstärkungskette am Ende des nächsten Tastzyklus, womit sich also der Richtungssinn der Veränderung der Korrekturspannungen U₁, U₂ und U₃ umkehrt.

Wenn das Korrektursystem auch nicht eine dauerhafte Beseitigung der Abweichungsspannung und des Grundrauschens bei niederer Frequenz in der Verstärkungskette ermöglicht, sondern nur eine Kompensation diesseits und jenseits des Nullpunkts, so ist dieses System doch sehr wirkungsvoll. Durch eine geeignete Einstellung der Zeitkonstante der Integratoren erreicht man nämlich auf einfache Weise, daß Störspannungen stets geringer bleiben als das Grundrauschen der Erfassungskette im Frequenzband oberhalb der Tastfrequenz.

Claims (8)

1. Schaltungsanordnung zur Verstärkung und Austastung von multiplexierten Analogsignalen, bestehend aus einer kontinuierlichen Verstärkungskette mit mehreren in Reihe angeordneten Verstärkungselementen, deren Verstärkungsgrade mit Hilfe von Schaltern verschiedene vorbestimmte Werte annehmen können, und aus Schaltungen zur Bildung elektrischer Spannungen abhängig von der Richtung der Abweichung oder des Rauschens der in der Verstärkungskette erzeugten Spannung und zur Anlegung von Korrekturspannungen, sowie aus Speichern für die verstärkten Spannungen und aus Schaltern, mit denen die multiplexierten Signale oder die gespeicherten Spannungen an ein Verstärkungselement angelegt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicher für die verstärkten Spannungen mehrere Tast- und Haltekreise (SH₁, SH₂, SH₃) aufweisen, deren Eingänge dauernd je an einen Ausgang eines Elements der Kette angelegt sind, und daß Auswahleinrichtungen (12, 13) vorgesehen sind, die die Auswahl der Schalter (Ig₁₁ bis Ig₂₁₆) für die Auswahl der Verstärkungsgrade sowie der Schalter abhängig vom Vergleich zwischen der einzigen Ausgangsspannung (Vs) der kontinuierlichen Verstärkungskette (G₁, G₂) und zwei positiven bzw. negativen Bezugsspannungen (V _{R +}, V _{R -}) vornehmen und diese ausgewählten Schalter und Schalteinrichtungen sowie die Tast- und Haltekreise so steuern, daß die kontinuierliche Verstärkungskette einen optimalen Gesamtverstärkungsgrad erhält.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahleinrichtungen ein Vergleichselement (13) für die Ausgangsspannung mit zwei Bezugsspannungen (V _{R +}, V _{R -}) gleichen Absolutwerts und entgegengesetzten Vorzeichens sowie eine Gruppe (12) logischer Elemente enthalten, die an den Ausgang des Vergleichselements und an einen Taktgeber angeschlossen ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tast- und Haltekreise Speicherkondensatoren (C₁, C₂, C₃) sowie Schalter (I) enthalten, die zwischen Eingangsverstärkern (a₁) und Ausgangsverstärkern (a₂) eingefügt sind, wobei die Eingänge der Eingangsverstärker dauernd mit je einem Ausgang eines Elements der Verstärkungskette und die Ausgänge der Ausgangsverstärker über Schalter mit dem Eingang der Verstärkungskette verbunden sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungskette ein erstes Verstärkungselement (A₁) und ein zweites Verstärkungselement (A₂) enthält, deren Verstärkungsgrade wahlweise durch Schließen der Schalter (Ig₁₁ bis Ig₂₁₆) einen von drei vorbestimmten Werten annehmen kann, die in Reihe miteinander verbunden sind und einem Isolationsverstärker (A₀) nachgeschaltet sind, und daß die Tast- und Halteeinrichtungen drei Tast- und Haltekreise (SH₁, SH₂, SH₃) enthalten, deren Eingänge dauernd an Ausgänge des Isolationsverstärkers (A₀) bzw. der Verstärkungselemente (A₁, A₂) und deren Ausgänge wahlweise über die Schalter (S₁, S₂, S₃) an den Eingang des ersten Verstärkungselements (A₁) angeschlossen sind.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungen zur Bildung elektrischer Spannungen abhängig von der Richtung der Abweichung oder des Rauschens der in der Verstärkungskette erzeugten Spannung mehrere Integrationselemente (6, 7, 8), deren Ausgangsspannungen an verschiedene Punkte vor den beiden ersten Verstärkungselementen angelegt sind, und Steuereinrichtungen (2, 3, 4, 5) für die Integrationselemente enthalten, die an den Ausgang der Verstärkungskette angeschlossen sind und nacheinander an die Integrationselemente kalibrierte Signale vorgegebener Dauer anzulegen vermögen, derart, daß die von den Integrationselementen gebildeten Spannungen die Abweichungsspannung oder das Rauschen kompensieren, wobei die Steuereinrichtungen durch die Auswahleinrichtungen betätigt werden.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungen zur Bildung der elektrischen Spannungen abhängig von der Richtung der Abweichung oder des Rauschens der in der Verstärkungskette erzeugten Spannung einen Komparator (2), der die Richtung des die Aus­ gangsspannung der Verstärkungskette betreffenden Fehlers bestimmt, wenn eine Bezugsspannung (V₀) an seinen Eingang angelegt ist, weiter drei Integratoren (6, 7, 8), deren Ausgangssignale je über Widerstände (26, 27, 31) an den invertierenden Eingang des Isolationsverstärkers (A₀) sowie an Ausgänge der Tast- und Haltekreise (SH₁, SH₂) angeschlossen sind, die die Ausgangsspannung des Isolationsverstärkers (A₀) und die Ausgangsspannung des ersten Verstärkungselements (A₁) zu speichern vermögen, und schließlich Steuereinrichtungen (3, 4, 5) aufweisen, die an ausgewählte Integratoren eine konstante gespeicherte Spannung während der Zeitspannen anlegen, die die aufeinanderfolgenden Anlegungszeitpunkte für eine Bezugsspannung (V₀) an den Eingang der Verstärkungskette trennen, und zwar unter Steuerung von Impulssignalen (H₁, H₂, H₃), die von den Auswahlmitteln ausgesandt werden.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang des Isolationsverstärkers (A₀) dauernd an den Ausgang eines Multiplexierorgans (1) angeschlossen ist, unter dessen Eingängen einer ist, der eine Bezugsspannung (V₀) führt.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter einen Schalter (S₀) enthalten, der zwischen dem Isolationsverstärker (A₀) und dem Eingang des ersten Verstärkungselements (A₁) eingefügt ist, daß diesem ersten Verstärkungselement ein Gegenkopplungsnetz zugeordnet ist, mit dem dem Element durch Schließen eines von drei Schaltern (Ig₁₁, Ig₁₄ oder Ig₁₁₆) ein Verstärkungsgrad von 2⁰, 2² oder 2⁴ verliehen werden kann und daß dem zweiten Verstärkungselement (A₁) ein zweites Gegenkopplungsnetz zugeordnet ist, mit dem durch Schließen eines von drei Schaltern (Ig₂₁, Ig₂₂ oder Ig₂₁₆) wahlweise ein Verstärkungsgrad von 2⁰, 2¹ oder 2⁴ verliehen werden kann, und daß die Steuereinrichtungen (3, 4, 5) bistabile Kippstufen enthalten, die durch die Gruppe logischer Glieder (12) betätigt werden in Verbindung mit der Ausgangsspannung eines Komparators (2), dessen Eingang an den Ausgang der Verstärkungskette angeschlossen ist.