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    • 专利摘要:
    Beschriebenund dargestellt ist eine Schaltungsanordnung zum wahlweisen Generiereneines analogen Stromausgangswertes oder eines analogen Spannungsausgangswertesin Abhängigkeitvon einem analogen Eingangswert sowie gegebenenfalls eines Eingangssockelwertesund/oder eines vorzeichenbehafteten Eingangskorrekturwertes, miteiner Stromsteuereinheit (1), einer Spannungssteuereinheit (2),einer von der Stromsteuereinheit (1) angesteuerten Stromausgangsquelle(3) und einer von der Spannungssteuereinheit (2) angesteuerten Spannungsausgangsquelle(4).Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnungist schaltungstechnisch einfacher und kann damit kostengünstiger realisiertwerden als die bekannten Schaltungsanordnungen, die funktional dasrealisieren, was eingangs ausgeführtworden ist, und zwar dadurch, daß die Stromausgangsquelle (3)und die Spannungsausgangsquelle (4) parallel angesteuert und ausgangsseitigin Reihe geschaltet sind.
    公开号:DE102004030161A1
    申请号:DE200410030161
    申请日:2004-06-22
    公开日:2006-03-16
    发明作者:Heinz Walter
    申请人:IFM Electronic GmbH；
    IPC主号:G01D5-14
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum wahlweisen Generiereneines analogen Stromausgangswertes oder eines analogen Spannungsausgangswertesin Abhängigkeitvon einem analogen Eingangswert sowie gegebenenfalls eines Eingangssockelwertesund/oder eines vorzeichenbehafteten Eingangskorrekturwertes, miteiner Stromsteuereinheit, einer Spannungssteuereinheit, einer vonder Stromsteuereinheit angesteuerten Stromausgangsquelle und einervon der Spannungssteuereinheit angesteuerten Spannungsausgangsquelle.
    [0002] ImStand der Technik sind umfangreich Meßgeräte bekannt, die als Meßwert einephysikalische Größe, z. B.eine Temperatur, einen Druck, einen Durchfluß oder ein Flüssigkeitsniveau,oder eine elektrische Größe, z. B.einen Strom, eine Spannung oder eine Leistung, erfassen und in Formeines analogen Meßwerteszur Verfügungstellen. Seit langem ist es im Stand der Technik auch bekannt, vonMeßgeräten derzuvor angesprochenen Art zur Verfügung gestellte Meßwerte zunormieren, so daß stattder zunächsterfaßtenbzw. zur Verfügunggestellten analogen Meßwertefür dieWeiterverarbeitung insbesondere in Steuer- und Regelschaltungennormierte Meßwertezur Verfügungstehen. Als normierte Meßwertesind in der industriellen Praxis umfangreich eingeführt einerseitsStromwerte von 4 bis 20 mA, gelegentlich aber auch von 0 bis 20mA, andererseits Spannungswerte von 0 bis 10 V.
    [0003] DieSchaltungsanordnung, um die es erfindungsgemäß geht, generiert also in Abhängigkeit voneinem analogen Eingangswert wahlweise einen analogen Stromwert,Stromausgangswert genannt, oder einen analogen Spannungswert, Spannungsausgangswertgenannt. Der zu generierende Stromausgangswert bzw. der zu generierendeSpannungsausgangswert kann auch zusätzlich abhängig sein von einem Eingangssockelwertund/oder einem vorzeichenbehafteten Eingangskorrekturwert.
    [0004] Zuder Schaltungsanordnung, um die es erfindungsgemäß geht, gehört also funktionsnotwendig zunächst eineStromsteuereinheit und eine Spannungs steuereinheit; der analogeEingangswert sowie gegebenenfalls der Eingangssockelwert und/oder dervorzeichenbehaftete Eingangskorrekturwert werden auf den Eingangder Stromsteuereinheit und der Spannungssteuereinheit gegeben. Abhängig von demEingangswert sowie gegebenenfalls dem Eingangssockelwert und/oderdem vorzeichenbehafteten Eingangskorrekturwert generieren die Stromsteuereinheitin Verbindung mit der Stromausgangsquelle den analogen Stromausgangswertund die Spannungssteuereinheit in Verbindung mit der Spannungsausgangsquelleden analogen Spannungsausgangswert.
    [0005] Beiden bekannten Schaltungsanordnungen der in Rede stehenden und zuvorhinsichtlich ihrer Funktion beschriebenen Art sind die Stromsteuereinheitund die Spannungssteuereinheit häufigals Operationsverstärkerausgeführtund weisen die Stromausgangsquelle und die Spannungsausgangsquelle inder Regel einen Transistor auf. Üblichist es auch, in der Stromausgangsquelle mit einer Darlington-Transistorstufeoder mit mehreren Darlington-Transistorstufen zu arbeiten, um diefür dieAnsteuerung erforderlichen Basisströme möglichst gering zu halten.
    [0006] Charakteristischfür diebekannten Schaltungsanordnungen der in Rede stehenden Art ist es, daß entwederdie Stromausgangsquelle oder die Spannungsausgangsquelle angesteuertwird. Das wahlweise Ansteuern der Stromausgangsquelle oder der Spannungsausgangsquelleist schaltungstechnisch aufwendig. Insbesondere werden mehr als zweiOperationsverstärkerbenötigt,teilweise werden auch insgesamt vier oder gar fünf Operationsverstärker eingesetzt.
    [0007] DerErfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnungder in Rede stehenden Art zur Verfügung zu stellen, die schaltungstechnischeinfacher und damit kostengünstigerrealisiert werden kann als die bekannten Schaltungsanordnungen,die funktional das realisieren, was eingangs ausgeführt wordenist.
    [0008] Dieerfindungsgemäße Schaltungsanordnung,bei der die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe gelöst ist,ist zunächstund im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß die Stromausgangsquelle unddie Spannungsausgangsquelle parallel angesteuert und ausgangsseitigin Reihe geschaltet sind. Vor zugsweise sind bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungdie Stromsteuereinheit und die Spannungssteuereinheit jeweils alsOperationsverstärkerausgeführtund weisen die Stromausgangsquelle und die Spannungsausgangsquellejeweils einen Ausgangstransistor auf.
    [0009] Imeinzelnen gibt es verschiedene Möglichkeiten,die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung inbesonderer Weise auszugestalten und weiterzubilden, was nachfolgenderläutertwird.
    [0010] Nacheiner weiteren Lehre der Erfindung, der besondere Bedeutung zukommt,ist zum Generieren des Stromausgangswertes die Spannungsausgangsquelledurchgesteuert; damit ist gemeint, daß die Spannungsausgangsquelle,gegebenenfalls der dort vorgesehene Ausgangstransistor, als elektronischer Schalterleitend ist.
    [0011] Wirddie erfindungsgemäße Schaltungsanordnungzum Generieren eines analogen Stromausgangswertes verwendet, soist der von der Stromausgangsquelle zur Verfügung gestellte Strom der, der alsvom äußeren Lastwiderstandpraktisch unabhängigerStrom überden Lastwiderstand fließt.Wird die erfindungsgemäße Schaltungsanordnungzum Generieren eines Spannungsausgangswertes verwendet, so muß die Schaltungsanordnungan der Spannungsausgangsquelle ausgangsseitig den analogen Spannungsausgangswertpraktisch unabhängigvom äußeren Lastwiderstandzur Verfügungstellen; der – vonaußengesehene – Innenwiderstandder Spannungsausgangsquelle muß alsoklein sein gegenüberdem – äußeren – Lastwiderstand.Beim Generieren des Spannungsausgangswertes stellt also die Stromausgangsquelle – bis zueinem bestimmten minimalen äußeren Lastwiderstand – den über den LastwiderstandfließendenLaststrom zur Verfügung.
    [0012] Eineweitere Lehre der Erfindung, der besondere Bedeutung zukommt, istdadurch gekennzeichnet, daß dieSpannungsausgangsquelle als längsregelnderClass-A-Verstärkermit einem Ausgangstransistor, einem Basiswiderstand und einem Pull-Down-Widerstandausgeführtist. Bei dieser Ausführungsformder erfindungsgemäßen Schaltungsanordnunggilt fürdas Generieren des Stromausgangswertes bzw. das Generieren des Spannungsausgangswertesfolgendes: Zum Generieren des Stromausgangswertes ist der Pull-Down-Widerstandder als Class-A-Verstärker ausgeführten Spannungsausgangsquelle über einen erstenVorwiderstand "hochgezogen", so daß die als Operationsverstärker ausgeführte Spannungssteuereinheitbis zum positiven Anschlag übersteuertist und der Ausgangstransistor überden Basiswiderstand leitend durchgesteuert ist. Zum Generieren des Spannungsausgangswertesist der nicht-invertierende Eingang des die Spannungssteuereinheitrealisierenden Operationsverstärkers über einenzweiten Vorwiderstand und einen leitenden Auswahlschalter auf Bezugspotentialgelegt.
    [0013] Beider erfindungsgemäßen, bisherbeschriebenen Schaltungsanordnung ist also die jeweils realisierteFunktion des Auswahlschalters entscheidend dafür, ob der Stromausgangswertoder der Spannungsausgangswert generiert wird. Bei nicht-leitendemAuswahlschalter wird der Stromausgangswert, bei leitendem Auswahlschalterder Spannungsausgangswert generiert.
    [0014] Imeinzelnen gibt es nun verschiedene Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Schaltungsanordnungauszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen auf die demPatentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und auf die Beschreibungeines bevorzugten Ausführungsbeispielsin Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
    [0015] 1 eineschematische Darstellung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und
    [0016] 2 einedetailliertere Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispielseiner erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
    [0017] Diein den Figuren dargestellte Schaltungsanordnung dient zum wahlweisenGenerieren eines analogen Stromausgangswertes oder eines analogenSpannungsausgangswertes in Abhängigkeitvon einem analogen Eingangswert sowie gegebenenfalls eines Eingangssockelwertesund/oder eines vorzeichenbehafteten Eingangskorrekturwertes. Zudieser Schaltungsanordnung gehörenfunktionsnotwendig, wie schematisch in 1 dargestellteine Stromsteuereinheit 1, eine Spannungssteuereinheit 2,eine von der Stromsteuereinheit 1 angesteuerte Stromausgangsquelle 3 undeine von der Spannungssteuereinheit 2 angesteuerte Spannungsausgangsquelle 4.
    [0018] Wieschematisch die 1, im einzelnen die 2 zeigt,gilt fürdie erfindungsgemäße Schaltungsanordnung,daß dieStromausgangsquelle 3 und die Spannungsausgangsquelle 4 parallelangesteuert und ausgangsseitig in Reihe geschaltet sind. Damit,daß dieStromausgangsquelle 3 und die Spannungsausgangsquelle 4 parallelangesteuert sind, ist gemeint, daß die Stromausgangsquelle 3 unddie Spannungsausgangsquelle 4 immer angesteuert sind, dieStromausgangsquelle 3 von der Stromsteuereinheit 1,die Spannungsausgangsquelle 4 von der Spannungssteuereinheit 2,unabhängigdavon, ob ein analoger Stromausgangswert oder ein analoger Spannungsausgangswertgeneriert werden soll.
    [0019] Für das dargestellteAusführungsbeispieleiner erfindungsgemäßen Schaltungsanordnunggilt, daß dieStromsteuereinheit 1 und die Spannungssteuereinheit 2 jeweilsals Operationsverstärkerausgeführtsind. Im übrigenist vorgesehen, daß die Stromausgangsquelle 3 unddie Spannungsausgangsquelle 4 jeweils einen Ausgangstransistoraufweisen; in der 1 ist die Stromausgangsquelle 3 allgemein – eben alsStromquelle – dargestellt.Im Gegensatz dazu zeigt die 2, daß sowohlzu der Stromausgangsquelle 3 als auch zu der Spannungsausgangsquelle 4 jeweilsein Ausgangstransistor gehörtbzw. sowohl die Stromausgangsquelle 3 als auch die Spannungsausgangsquelle 4 alsAusgangstransistor ausgeführtist.
    [0020] Inder 1 ist nur angedeutet, in der 2 demgegenüber im einzelnendargestellt, daß zum Generierendes Stromausgangswertes die Spannungsausgangsquelle 4 durchgesteuertist; damit ist gemeint, daß dieSpannungsausgangsquelle 4, also im Ausführungsbeispiel der Ausgangstransistor,als elektronischer Schalter leitend ist. Wird die erfindungsgemäße Schaltungsanordnungzum Generieren eines analogen Spannungsausgangswertes verwendet,so ist der von der Stromausgangsquelle 3 zur Verfügung gestellteStrom der, der als vom äußeren Lastwiderstand 5 praktischunabhängigerStrom überden Lastwiderstand 5 fließt. Beim Generieren eines Spannungsausgangswertesmuß diedargestellte Schaltungsanordnung an der Spannungsausgangsquelle 4 ausgangsseitigden analogen Spannungsausgangswert praktisch unabhängig vom äußeren Lastwiderstand 5 zurVerfügungstellen; folglich muß der – von außen gesehene – Innenwiderstandder Spannungsausgangsquelle 4 klein sein gegenüber dem – äußeren – Lastwiderstand 5.Das ist bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel einererfindungsgemäßen Schaltungsanordnungjedenfalls dann gegeben, wenn der Widerstandswert des äußeren Lastwiderstandes 5 nichtkleiner als 2 kΩ ist.
    [0021] Indem in 2 im einzelnen dargestellten Ausführungsbeispieleiner erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungist die Spannungsausgangsquelle 4 als längsregelnder Class-A-Verstärker miteinem Ausgangstransistor 6, einem Basiswiderstand 7 undeinem Pull-Down-Widerstand 8 ausgeführt. Zum Generieren des Stromausgangswerteswird der Pull-Down-Widerstand 8 der als Class-A-Verstärker ausgeführten Spannungsausgangsquelle 4 über einenersten Vorwiderstand 9 "hochgezogen", also auf ein relativzum Bezugspotential hohes Potential gebracht, so daß die alsOperationsverstärkerausgeführteSpannungssteuereinheit 2 bis zum positiven Anschlag übersteuertist und der Ausgangstransistor 6 über den Basiswiderstand 7 leitenddurchgesteuert ist. Damit ist also praktisch nur die Stromausgangsquelle 3 wirksam,die Spannungsausgangsquelle 4 wirkt wie ein leitender Schalter.Zum Generieren des Spannungsausgangswertes ist der nicht-invertierendeEingang des die Spannungssteuereinheit 2 realisierendenOperationsverstärkers über einenzweiten Vorwiderstand 10 und einen leitenden Auswahlschalter 11 aufBezugspotential gelegt.
    [0022] Beidem bisher beschriebenen Ausführungsbeispielder erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungist also die jeweils realisierte Funktion des Auswahlschalters 11 – nicht-leitendoder leitend – entscheidenddafür,ob der Stromausgangswert oder der Spannungsausgangswert generiertwird. Bei nichtleitendem Auswahlschalter 11 wird der Stromausgangswert,bei leitendem Auswahlschalter 11 der Spannungsausgangswertgeneriert.
    [0023] Die 2 zeigtinsoweit ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,als in Reihe zu der Reihenschaltung aus der Stromausgangsquelle 3 und derSpannungsausgangsquelle 4 ein Shuntwiderstand 12 vorgesehenist. Dadurch wird der eingeprägteBasisstrom mitberücksichtigt.Dadurch, daß derShuntwiderstand 12 sich gleichsam auf den Lastwiderstand 5 abstützt, isterreicht, daß dieStromausgangsquelle 3 etwa im 12 Volt-Bereich bleibt und folglichein JFET-Operationsverstärkermit einer Versorgungsspannung im 16 Volt-Bereich verwendet werdenkann.
    [0024] Wiedie 2 zeigt, sind im dargestellten Ausführungsbeispieldie die Stromsteuereinheit 1 und die Spannungssteuereinheit 2 andererseitsbildenden Operationsverstärkerals symmetrische Differenzverstärkerstufenausgeführt.Dabei bilden der Eingangswert U11, der EingangssockelwertU21 und der Eingangskorrekturwert U31 zusammen mit ihren jeweiligen BezugspotentialenU12, U22 und U32 Wertepaare, die über paargleiche Eingangswiderstände R11 und R12, R21 und R22 sowieR31 und R32 den nicht-invertierendenEingängenund den invertierenden Eingängender Operationsverstärkerzugeführt sind.Im übrigensind die zu den OperationsverstärkerngehörendenRückkopplungswiderstände 19 und 20 sowie 21 und 22 ebenfallspaargleich, also symmetrisch ausgeführt.
    [0025] Durchdie zuvor beschriebene Realisierung der Eingangswiderstände R11 bis R32 und derRückkopplungswiderstände 19 bis 22 istrealisiert, daß theoretischbeliebig viele Eingangswerte zugeführt werden können, ohneden wirksamen Verstärkungsfaktor – wirksamerVerstärkungsfaktor= Verhältnis derAusgangswerte zu den einzelnen Eingangswerten – zu verändern. Im übrigen gewährleistet die dargestellteund beschriebene Symmetrie die Unabhängigkeit der einzelnen Eingangswertevoneinander und die Unabhängigkeitvom Bezugspotential.
    [0026] Dasin 2 dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zeigtnoch insoweit eine Besonderheit, als in Reihe zu dem zwischen demAusgang des die Stromsteuereinheit 1 darstellenden Operationsverstärkers und desseninvertierenden Eingang liegenden Rückkopplungswiderstand 19 einUnsymmetriewiderstand 23 geschaltet ist. Damit kann der "Stromverlust" kompensiert werden,der beim Generieren des Stromausgangswertes dadurch entsteht, daß abhängig vom Widerstandswertdes Lastwiderstandes 5 Strom parasitär in den Rückkopplungszweig der Spannungssteuereinheit 2 fließt.
    [0027] Zuvorist nicht beschrieben und es soll auch im einzelnen nicht beschriebenwerden, wie die einzelnen Bauteile miteinander verbunden bzw. angeschlossensind, weil das der Fachmann der 2 ohne weiteresentnehmen kann. Gleichwohl ist auch das, was der Fachmann in Bezugauf das Verbinden der einzelnen Bauteile miteinander bzw. das Anschließen derBauteile der 2 entnehmen kann, für die insgesamtvermittelte Lehre von Bedeutung, – auch insoweit, als eine detaillierteBeschreibung nicht gegeben ist und der Inhalt der nachfolgenden Patentansprüche daraufnicht gerichtet ist.
    权利要求:
    Claims (13)
    [1] Schaltungsanordnung zum wahlweisen Generiereneines analogen Stromausgangswertes oder eines analogen Spannungsausgangswertesin Abhängigkeitvon einem analogen Eingangswert sowie gegebenenfalls eines Eingangssockelwertesund/oder eines vorzeichenbehafteten Eingangskorrekturwertes, miteiner Stromsteuereinheit, einer Spannungssteuereinheit, einer vonder Stromsteuereinheit angesteuerten Stromausgangsquelle und einervon der Spannungssteuereinheit angesteuerten Spannungsausgangsquelle, dadurchgekennzeichnet, daß die Stromausgangsquelle(3) und die Spannungsausgangsquelle (4) parallelangesteuert und ausgangsseitig in Reihe geschaltet sind.
    [2] Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß dieStromsteuereinheit (1) und die Spannungssteuereinheit (2)jeweils als Operationsverstärkerausgeführtsind.
    [3] Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurchgekennzeichnet, daß dieStromausgangsquelle (3) und die Spannungsausgangsquelle(4) jeweils einen Ausgangstransistor aufweisen.
    [4] Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis3, dadurch gekennzeichnet, daß zumGenerieren des Stromausgangswertes die Spannungsausgangsquelle (4)durchgeschaltet ist.
    [5] Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis4, dadurch gekennzeichnet, daß beimGenerieren des Spannungsausgangswertes die Stromausgangsquelle (3) – bis zueinem bestimmten minimalen äußeren Lastwiderstand(5) – den über den Lastwiderstand(5) fließendenLaststrom zur Verfügungstellt.
    [6] Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurchgekennzeichnet, daß dieSpannungsausgangsquelle (4) als längsregelnder Class-A-Verstärker miteinem Ausgangstransistor (6), einem Basiswiderstand (7)und einem Pull-Down-Widerstand(8) ausgeführtist.
    [7] Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,daß zumGenerieren des Stromausgangswertes der Pull-Down-Widerstand (8) derals Class-A-VerstärkerausgeführtenSpannungsausgangsquelle (4) über einen ersten Vorwiderstand (9)hochgezogen ist, so daß dieals OperationsverstärkerausgeführteSpannungssteuereinheit (2) bis zum positiven Anschlag übersteuertist und der Ausgangstransistor (6) über den Basiswiderstand (7)leitend durchgesteuert ist.
    [8] Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,daß zumGenerieren des Spannungsausgangswertes der nicht-invertierende Eingangdes die Spannungssteuereinheit (2) realisierenden Operationsverstärkers über einenzweiten Vorwiderstand (10) und einen leitenden Auswahlschalter(11) auf Bezugspotential gelegt ist.
    [9] Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis8, dadurch gekennzeichnet, daß inReihe zu der Reihenschaltung aus der Stromausgangsquelle (3)und der Spannungsausgangsquelle (4) ein Shuntwiderstand(12) vorgesehen ist.
    [10] Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis9, dadurch gekennzeichnet, daß diedie Stromsteuereinheit (1) einerseits und die Spannungssteuereinheit(2) andererseits bildenden Operationsverstärker alssymmetrische Differenzverstärkerstufenausgeführtsind.
    [11] Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,daß derEingangswert (U11), der Eingangssockelwert(U21) und der Eingangskorrektur (U31) zusammen mit ihren jeweiligen Bezugspotentialen(U12, U22 und U 32) Wertepaare bilden und über paargleicheEingangswiderstände(R11 bis R32) dennicht-invertierenden Eingängenund den invertierenden Eingängender Operationsverstärker zugeführt sind.
    [12] Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis11, dadurch gekennzeichnet, daß die zuden OperationsverstärkerngehörendenRückkopplungswiderstände (19 bis 22)paargleich, also symmetrisch ausgeführt sind.
    [13] Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis12, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihezu dem zwischen dem Ausgang des die Stromsteuereinheit (1)darstellenden Operationsverstärkersund dessen invertierenden Eingang liegenden Rückkopplungswiderstand (19)ein Unsymmetriewiderstand (23) geschaltet ist.
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2006-03-16| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2008-04-10| 8364| No opposition during term of opposition|
    2012-04-26| R119| Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee|Effective date: 20120103 |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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