DE3130476A1

DE3130476A1 - Schaltungsanordnung fuer verstaerkung und austastung von multiplexierten analogsignalen

Info

Publication number: DE3130476A1
Application number: DE19813130476
Authority: DE
Inventors: Claude 60119 Henouville Beauducel; Jacques 78150 Le Chesnay Cretin
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN; Compagnie Generale de Geophysique SA
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN; CGG SA
Priority date: 1980-07-25
Filing date: 1981-07-23
Publication date: 1982-04-15
Also published as: NL8103491A; FR2487603B1; NO156070B; GB2081038A; FR2487603A1; US4426624A; NO812531L; DE3130476C2; IT1138870B; GB2081038B; JPS5757398A; IT8123125A0; JPH0152796B2; CA1160726A; NO156070C

Description

Schaltungsanordnung zur Verstärkung und Austastung von multiplexierten Analogsignalen

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 Mitteln 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 Speichermitteln für die verstärkten Spannungen und aus Schaltmitteln, mit denen die multiplexierten Signale oder die gespeicherten Spannungen an ein Verstärkungselement angelegt werden.

Die Erfindung ist insbsondere 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 eine 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 Verstärkmngselementen 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 zwisehen zwei aufeinanderfolgenden beliebigen Tastproben sehr groß sein können, wählt ein Auswahlorgan die Anzahl vpn Vorstärkungseinheiten aus, von denen jedes Signal durchlaufen werden 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 2 110 758 beschrieben ist, besitzen alle Verstärkungselemente denselben Verstärkungsgrad. Wach 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 Äusführungsbeispiel wird in der FR-OS 2 373 914 beschrieben, die einen aus η 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 aufs

- 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 tibergang von einer Tastprobe geringer Amplitude auf eine Tastprobe mit deutlich größerer Amplitude auftritt.

Außerdem besteht ein Nachteil von Datenerfassungketten 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 Haltekreis 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 Pufferv@rstärkern ausgerüstet ι die die Vsrstärkungskette verlängern= Daher sind fünf oder sechs Verstärkungselemente mindestens für einen Verstärker

Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung vermeidet die oben erwähnten Nachteile. Erfindungsgemäß ist die Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet,, daß die Speichermittel für die verstärkten Spannungen mehrere Tast- und Haltekreise aufweisen, deren Eingänge dauernd je an einen Ausgang eines Elements der Kette angelegt sind, und daß Auswahlmittel vorgesehen sind, die die Auswahl der Schalter für die Ausxtfahl der Verstärkungsgrade sowi© der Schaltmittel abhängig vom Ver~ gleich zwischen der einsigen Ausgangsspannung der kontinuierlichen Verstärkungskette und swei positiven fosvj. negativen Bezugsspannungen vornehmen? und diese ausgewählten Schalter und Schaltmittel sowie die Tast- und Haltekreise so steuern, daß die kontinuierliche Verstärkungskette einen optimalen Gesamtwirkungsgrad erhält ο

Gemäß einer bevoraugten Ausführungsform der Erfindung benutzt man nur zwei Verstärkungselemente deren Verstärkungsgrad aus mehreren vorgegebenen Werten bis höchstens sum Wert 16 ausgewählt werden kann und man erhält alle Verstärkungsgrade zwischen 1 und 16 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-Digitalwandlerο Die Verwendung von Tas t- und Haltekreisen am Ausgang der Verstärkungselemente der Kette und

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- ίο -

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 Versärkungskette betreffenden Abweichungen gebildeten Signale₄

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 S_n'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 R.., R₁₂ und R₁₃ angeschlossen. Der invertierende Eingang des Verstärkers A₁, ist an den Ausgang dieses Verstärkers über einen Schalter Ig₁ * 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,, R₁₃,, R₁₃ und die drei Schalter Ig₁ w Ig,.^, Ig_11g bilden ein Gegenkopplungsnets 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 Verstärkungseiements 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 R₅₁ , R«2 und R„_ in Reihe an Masse angeschlossen ist» Der invertierende Eingang dieses Verstärkungselements ist an den Ausgang desselben Elements über einen Schalter Ig₉₁, an den Verbindungspunkt der Widerstände R₃₁ und R ~ über einen Schalter Ig₂₂ ^un<ä άπ den Verbindungspunkt der Widerstände R₂ und R₂₃ über einen Schalter Ig₂IS ^an<3^esc^^os3en· ^In gleicher Weise bilden die Widerstände R₂I' ^R22 ^{und R}23 mit den Schaltern Ig_?1, ^iJo·> ^un<^ ^01 f. ^e^^{n G}®entkopplungsnetzwerk mit dem der Verstärkungsgrad dieses Elements A„ 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 Ä „ A₁ und A„ sind je an einen Eingang eines von drei Tast- und Haltekreisen SH₁, SH „ SH^ üblicher Bauart angeschlossen. Die Tast- und Haltekreise besitzen je zwei Verstärker a₁ und a_, die miteinander über einen Schalter I verbunden sind und einen ersten Anschluß haben, an den ein Speicherkondensator C₁, C_? bzw. C, ange-

mm IO _

schlossen 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 A_Q, A. und A_ zu Beginn jeder Verstärkungsfolge angelegt werden kann. Die Ausgänge der Kreise SH₁, SH und SH₁ sind

\ mit -J

je über einen Widerstand 14, 15 und 16 des Werts R und über je einen Schalter S₁, S_ und S an den nicht invertierenden Eingang des Verstärkungselements A angeschlossen. Die Gesamtheit der Schalter S , S , S und S_ bildet die Schaltmittel. Die Verwendung von Tast- und Haltekreisen in der Form komplexer Schaltkreise ist sehr vorteilhaft: - die Kondensatoren C., C„ und C_ werden nicht direkt von den Verstarkungselementen A , A₁ und A„ 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, C- und C₃ sind von den Schaltern S₁, S_ und S₃ durch die Verstärker a₂ getrennt, so daß der Einfluß dieser Schalter auf die gespeicherten Spannungen vermieden wird.

Der Ausgang des Verstärkungselements A_ 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

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— 1 *ί ·-

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 Kippstufe3/ 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 H-zugeführt, die durch eine Gruppe logischer Glieder 12 erzeugt werden» Die an den Ausgängen der Integratoren 6 und 7 verfügbaren Spannungen U- und U werden an je einen Verbindungspunkt eines der Schalter S₁ und S mit dem Widerstand 14 bzw, 15 über einen Widerstand 26 bzw» 27 des Werts R₂ angeschlossen» Das am Ausgang des Integrators 8 verfügbare Signal ü„ wird an den invertierenden Eingang des Isolationsverstärkers A 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 R₀ an Masse angeschlossen» Die aus dem Komparator 2 und den Kippstufen 3_r 4 und 5 gebildete Einheit bildet die Steuermittel der Integratoren.

Der Ausgang des Verstärkungselements A₃ 1st an den Eingang eines Vergleichselements 13 bekannter Bauart angeschlossen, das beispielsweise zwei Vergleichsverstärker A₃ und A^ enthält. Diese vergleichen die Ausgangsspannung V_ der Verstärkungskette mit zwei Bezugsspannungen gleichen Absolutwerts

aber umgekehrten Vorzeichens V und V . Die Ausgänge

K+ R—

der Vergleichsverstärker A und A. 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 Ausgangssignal der Kette zwischen den beiden symmetrischen Besugsspannungen liegt oder außerhalb dieser Werte. Es sei festgelegt, daß das Signal KP den logischen Wert 1 annimmt, wenn |vJ>jV j , während dieses

. I fl I ^Rl Signal den Wert 0 annimmt, wenn V₀ <fV_ ist. Hierbei

Il ο "^ j R j V„ den gemeinsamen Absolutwert der beiden Bezugsspannungen V_, und V_ .
κ+ κ—

Die Gruppe logischer Glieder 12 ist an einen Taktgeber angeschlossen, der zyklische Impulse M^, M₁, ML ... ML 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* Ig_?1 bis Ig_1ß, S bis S sowie für die Tast- und Haltekreise SH₁, SH₂ 1 SH₃ und die Kippstufen 3, 4 und 5 in Einklang mit den Diagrammen in Fig. 2 und den logischen Funktionen E 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 g„, g₁, g₂ und g- gemäß der Binärwichtung 1, 2, 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

- @in© Voratuf® E_Q für di® Tastung, wüteenä dö?,¹ don Tust·* und Halt@te©is©n SH₁, „ SH„ unä SIL, Spannungen sug@führt werden, dl© des¹ aufQsfollekiiehQ« Eingangs spannung, dos? um elan PaJstox¹ 16 ve^oli'isJstQn Eiiiyantji;· spannung und d©sr wm cl@n Faktor 256 vernttteki-'cm Kliujr spannung e

v,t@r darauf folgende Bfcuf©« B^ E^ _f 1., wncl K. -mm Speic und e©lektivcan Anlegen ©Iiiqe¹ dos? geopQichoitc3a Bpa an di® V@rstärkiangs©l@m@,ntQ Λ, untl Λγ,οΪγλ Verlauf tUosa vier Stufen wühlt man cIqh VarBtäKkimgagraö für fiioy® baldan V©srstäx'kungs@3,©m@nfc@ i@irarfc_p elaJ) eine optlmiile Äusgangsspannung ®ntit©ht? ii© mit dsm höohiaten in «lan nachg©ojMn@t©n

Naehf©lg©nd wird ias SteviQ^sigiisal Eus Q.incrn üqe Beiiy.li'.ej.· s (S₀ bis S₃) Q<ä©r Ig (Ig₁₁ bis If₂-^) folgoüdoimaßon bos©lehn@t! /l»7 ocltr /If/ in Verbinäunci mit tier gugeoialnfiiten B@s«gs«ahl« W@nn äi©s©s Signal d©n logiidioii We<E"t 1 hat,, dann igt der gugeoränet© Sehalter geaehloasen, vlÄhvänu dar· logiech® Wert 0 äem f©öffnotan iehalter ©ßtssp

Es wird angeatrabti da® abgetastet© Signal um gId©??. celehon Faktor su vsratärkea, daß qs in d©n Bsjcp:? c;b. awitJühen ?i«n BegugswQrten V_p and V„, gelangt. Die BGliP/a».] luey a«r Ta at-

A'⁴**³* A'i^rl^:i

proben erfolgt in den folgenden Stufe«s Stuf© S₀ (siehe Fig. 2)

- man schaltet ä®n Multiplexer 1 auf ediieo hostiairuten ßffi|ifaags· kanal

- nun erfolgt die Tastung. Die Gruppe log:!«eher GIi«de"

steuert das Schließen des Schalters S und der Schalter Ig ₁₆ bis Ig_1g und bildet das Signal S_e für die Steuerung der Probenentnahme der an den Ausgängen der Verstärkungselemente A, A₁ und A₂ verfügbaren Signale durch Schließen der Schalter I.

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

^{= 1} P*216

\^SO = ^{1 S}e

= I

- Nun erfolgt ein erster Vergleich des Ausgangssignals V

mit den Bezugsspannungen V_ und V_ ; das Signal KP nimmt den Wert KP an» worauf die Gruppe logischer Glieder 12 den Schalter Ig₉₁ schließt, den Schalter S öffnet und die Speicherung der Ausgangsspannungen der Verstärker A_Q, A und A_ in den Kondensatoren C., C« und C durch das Signal S bewirkt. Die logischen Werte der Signale /Sp/ und /S_3-?ι die die Schalter S- und S_? steuern, hängen vom logischen Wert £Κ2] des Signals KP am Ausgang des Komparators ab. Es sei vereinbart, daß das logische Signal /KP/ das komplementäre Signal des Signals [YS] ist.

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

₌ -j

C^So] ■

^se

11 ~ i^S2

Wenn beispieslweise /KP₀/ ^s O ist„.dann wird der Schalter Ig₁₁ geöffnet und der Schalter Ig₁-Ig geschlossene Da Ig_?1 geschlossen 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»

- Nun erfolgt ein zweiter Vergleich des Signals V mit den Bezugswerten V und V , worauf das Signal KP den Wert KP₁ annimmt= Die Guppe logischer Glieder hält den Schalter S offen und die Tast- und Haltekreise SH., SH. und SH in Haltestellung ο Zugleich wird der Schalter Ig₅₁ geschlossen, während der Schalter S^ in dem Zustand bleibt, in dem er während der vorhergehenden Stufe war» Der Schalter Ig₁Zi und die Schalter S₁ und S^ werden abhängig von den Werten von KP₁ und /S~/ eingestellt» Wenn /lg.,,./ = ist, dann wird der Verstärkungsgrad des Verstärkungselements A₁ nicht verändert» Diese Operationen bilden die Stufe E_ und können folgendermaßen durch logische Gleichungen ausgedrückt werden.

^E2
^E2

* [^Soj ■-

^Se

[s₂]

Ε_Λ

Wenn beispielsweise /KP J = O ist, dann geben die logischen Gleichungen dieser Stufe an, daß der Schalter ] geschlossen Ist. Da Ig₂-J ebenfalls geschlossen ist, ergibt sich eine Gesamtverstärkung mit dem Faktor 4.

Stufe E₀

- Nach einem dritten Vergleich des Ausgangssignals V mit den Bezugswerten V_R+ und V_R_, wobei das Signal KP einen neuen Wert KP- annimmt, wird der Schalter Ig₂₂ durch die Gruppe logischer Glieder 12 geschlossen, wird der Schalter Ig-J₁ g in seinem vorherigen Zustand belassen, ebenso wie die Tast- und Haltekreise und der Schalter S_n und werden die Schalter Ig₁₁ und Ig₁₄ gemäß den vorliegenden Werten von D&J und /Ig_11g7 eingestellt.

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

Ig

111J

^So

Falls fä&2? ~ ° ist, geben die logischen Gleichungen dieser Stufe an, daß der Schaltsr "&<$*& geschlossen ist« Da der
Schalter Ig₂? ebenfalls geschlossen ist, ergibt sich eine Gesamtverstärkung der Kette um den Faktor 8 =

Stufe Ey,

- Nun erfolgt ein !©tater Vergleich dar Äusgangsspannung v_g der Kette mit d©n Besugswerten, und das Signal KP nimmt einen letsten Wert KP^ an» Die Gruppe logischer Glieder 12 schaltet den Schalter Ig_Oi oder Ig₀- gemäß dem logisehen Wert von KP, um und läßt gleichseitig die anderen Signale unverändert. Die logischen Gleichungen dieser
Stufe 4 sehen folgendermaßen auss

S₀] - S_e - [Ig₂₁₆I = 0

Wenn beispielsweise KP_ = O ist, dann sind die Schalter Ig 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 um einen Faktor G = G₁ · G verstärkt ist, der aus einer Menge von

o aufeinanderfolgenden Potenzen der Zahl 2 zwischen 2 und

13
2 ausgewählt ist, wobei die Ausgangsspannung V zwischen den Bezugswerten V und V_ zu liegen kommt.

Xx^-" IvT"

Die Folge von Vergleichen und Anpassungen der Verstärkungsgrade G. und G„ 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 ΔΤ(ν) 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 /S_Q/ = ^g₁₁₆7 = ^₂₁₆7 = ^s _e ^{= Ί}' wodurch die Bezugsspannung sowie die Äusgangsspannungen der Verstärkungselemente A₁ und A₂ mit den Verstärkungsgraden G= 1, G = 16, G = 16 in den Tast- und Haltekreisen SH₁, SH_ und SH_ 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 H , H₂ und H- zur Einstellung der Kippstufen 3, 4 und 5. Sq 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_e zu Beginn der Signale H₄ , H„ oder H_ positiv ist, dann kippt die entsprechende Kippstufe in den Zustand 1. Im entgegengesetzten Fall, wenn das Signal V_g negativ ist, stellt sich diese Kippstufe auf den Wert O 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 U , U₂ bzw. U mit linearer Variation und legen diese Spannungen über die Widerstände 26 und 27 an die Schalter S und S sowie über den Widerstand 31 an den invertierenden Eingang des Isolationsverstärkers K , 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, U„ und U_ 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 Stör-

Spannungen stets geringer bleiben als das Grundrauschen der Erfassungskette im Frequenzband oberhalb der Tastfrequenz .

Claims

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Äff.S 2002

INSTITUT FRANCAIS DU PETROLS UND

COMPAGHIE GENERALS DE GEOPBYSXQUE

Schaltungsanordnung für Verstärkung unci Austastung von multiplexierten Analogsignale

PATEWTAMSRPÜCHE

Schaltungsanordnung sur Verstärltung und Austastung von multiplexierten Analogsignale^ bestehend aus einer kontinuierlichen Verstärkungskette mit mehreren Ib Reihe angeordneten Verstärkungselementen, deren Verstärkungsgrade mit Hilfe von Schaltern verschiedene vorbestimmte Werte annehmen können, und aus Mitteln sur Bildung elektrischer Spannungen abhängig von der Richtung der Abweichung oder des Rausches der in der Verstärkungskette erzeugten Spannung und sur Anlegung von Korrekturspannungen, sowie aus Speichermitteln für die verstärkten Spannungen und aus Schaltmitteln mit denen die mutliplexierten Signale oder die gespeicherten Spannungen an ein Vsrstärkungs-

I¹OS TSfHECKKONTO MÜNCHEN ly'lOifO-HOO ■ BAYERISCHE HyrorHEKEN UND WECHSEL-BANK MÜNCHEN ;! 240-000 «HO

element angelegt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichermittel für die verstärkten Spannungen mehrere Tast- und Haltekreise (SH₁, SH , SH_) aufweisen, deren Eingänge dauerndje an einen Ausgang eines Elements der Kette angelegt sind, und daß Auswahlmittel (12, 13) vorgesehen sind, die die Auswahl der Schalter (Ig₁₁ bis 1^216^ ^{für dle Auswahl der} Verstärkungsgrade sowie der Schaltmittel abhängig vom Vergleich zwischen der einzigen Ausgangsspannung (Vs) der kontinuierlichen Verstärkungskette (G , G„) und zwei positiven bzw. negativen Bezugsspannungen (V V ) vornehmen und diese ausge-

Xv* , XV—

wählten Schalter und Schaltmittel sowie die Tast- und Haltekreise so steuern, daß die kontinuierliche Verstärkungskette einen optimalen Gesamtwirkungsgrad erhält.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahlmittel ein Vergleichselement (13) für die.Ausgangsspannung mit zwei Bezugsspannungen (V , V ) gleichen Absolutwerts und entgegengesetzten Vor-

χντ X\—

zeichens sowie eine Gruppe (12) logischer Elemente enthalten, die an den Ausgang des Vergleichselements und an einen Taktgeber angeschlosssen ist.

3... Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tast- und Haltekreise Speicherkondensatoren (C₁, C₂, CO sowie Schalter (I) enthalten, die zwischen Eingangsverstärkern .(a-) 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.

Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungskette ein erstes Verstärkungselement (A₁) und ein zweites Verstärkungselement (Ä2) enthält, deren Verstärkungsgrade wahlweise durch Schließen der Schalter (Ig.,., bis Ig,,. _r) einen von

11 λ I ο

drei vorbestimmten Werten annehmen kann, die in Reihe miteinander verbunden sind und einem Isolationsverstärker (A ) nachgeschaltet sind? und daß die Tast- und Haltemittel drei Tast- und Haltekreise (SH., SH₃, SH₃) enthalten, deren Eingänge dauernd an Ausgänge des Isolationsverstärkers (A₀) bzw*, der Verstärkungselemente (A., A₂) und deren Ausgänge wahlweise über die Schalter (S.., S₃, S₃) an den Eingang des ersten Verstärkungselements (A ) angeschlossen sind.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch g e k e η nz e-i c h η e t, daß die Mittel 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 Steuermittel (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 Steuermittel durch die Auswahlmittel betätigt werden.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel 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 (V) 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 (A ) sowie an Ausgänge der Tast- und Haltekreise (SH₁, SH ) angeschlossen sind, die die Ausgangsspannung des Isolationsverstärkers (Aq) und die Ausgangsspannung des ersten Verstärkungselements (A-) zu speichern vermögen, und schließlich Steuermittel (3, 4, 5) aufweisen, die an ausgewählte Integratoren eine konstante gespeicherte Spannung während der Zeitspannen anlegen, die die aufeinanderfolgenden Anlegungszeitpunkte für eine Bezugsspannung (V_) an den Eingang der Verstärkungskette trennen, und zwar unter Steuerung von ImpulsSignalen (H₁, H₃, 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 (V ) führt.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel einen Schalter (S ) enthalten, der zwischen dem Isolationsverstärker (A) 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 Ig_11Ä)

0 2 4 ein Verstärkungsgrad von 2,2 oder 2 verliehen werden kann und daß dem zweiten Verstärkungselement (A₁) ein zweites Gegenkopplungsnetz zugeordnet ist, mit dem durch Schließen eines von drei Schaltern (Ig₀₁, Ig._oder Ig„_1c)

wahlweise ein Verstärkungsgrad von 2 ,.2 oder 2 verliehen werden kann, und daß die Steuermittel (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 VerstärJtungsJcette angeschlossen ist.