DE2337492C3

DE2337492C3 - Circuit for measuring the amplitude of an electrical quantity

Info

Publication number: DE2337492C3
Application number: DE2337492A
Authority: DE
Inventors: Robert Georges Wintzenheim Haut-Rhin Reeb (Frankreich)
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1972-07-27
Filing date: 1973-07-24
Publication date: 1980-07-17
Also published as: FR2193977A1; DE2337492B2; DE2337492A1; FR2193977B3

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Messung der Amplitude einer elektrischen Größe entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs und ist in digitalen Meßgeräten verwendbar, die elektrische Größen messen, deren Amplituden um Größenordnungen veränderlich sind. Eine derartige Schaltung ist als logarithmierendes Digital-Voltmeter aus der DE-OS 20 19 323 bekannt. Sein Eingangskreis ist als Ausgangsstufe aus einem mit einstellbarer Verstärkung versehenen Verstärker gebildet, was die folgenden Nachteile hat.The invention relates to a circuit for measuring the amplitude of an electrical variable the preamble of the claim and can be used in digital measuring devices, the electrical Measure quantities whose amplitudes can be changed by orders of magnitude. One such circuit is known from DE-OS 20 19 323 as a logarithmic digital voltmeter. Its input circuit is as an output stage formed from an amplifier provided with adjustable gain, which has the following disadvantages Has.

Wenn man beispielsweise den Sperrstrom von Dioden am Ende von deren Fertigung messen will, ist man sehr oft gezwungen, oen Meßbereich des verwendeten Meßgerätes zu ändern, da sich der Sperrstrom der Dioden von einig η Nano-Ampere bis zu mehreren hundert Mikro-Arnpere ändert. Diese Meßbereichsänderung vergrößert nicht nur die Meßzeit, sondern auch das Meßfehlerrisiko. Im allgemeinen enthält die Eingangsstufe des Meßgerätes einen Verstärker, so daß die Änderung des Meßbereichs darin besteht, dessen Gegenkopplungswiderstand und somit dessen Verstärkung zu ändern. Daher erscheinen die von der Art des Eingangssignals unabhängigen und beispielsweise durch alterungs- oder temperaturbedingte Drift hervorgerufenen Fehler am Ausgang des Verstärkers in Form einer praktisch konstanten Fehlerspannung. Dieser konstante Fehler ist bei der Messung großer Ströme vernachlässigbar, kann jedoch bei der Messung von Strömen kleiner Amplituden die zulässigen Grenzen überschreiten.For example, if you want to measure the reverse current of diodes at the end of their manufacture, is you are very often forced to change the measuring range of the measuring device used, because the Reverse current of the diodes changes from a few η nano-amperes to several hundred micro-amperes. These Changing the measuring range increases not only the measuring time, but also the risk of measuring errors. In general the input stage of the measuring device contains an amplifier, so that the change in the measuring range therein exists to change its negative feedback resistance and thus its gain. Hence the independent of the type of input signal and, for example, due to aging or temperature Drift-induced error at the output of the amplifier in the form of a practically constant Fault voltage. This constant error is negligible when measuring large currents, but it can exceed the permissible limits when measuring currents of small amplitudes.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Schaltung zur Strommessung anzugeben, bei der keine Meßbereichsumschaltung des digitalen Meßgeräts erforderlich ist. Es ist selbstverständlich, daß dies auch für die Messung anderer analoger Größen zutrifft. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch I angegebene Erfindung gelöst. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist im Unteranspruch gekennzeichnet. Die Erfindung wird nun an Hand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert:The object of the invention is therefore to provide a circuit for current measurement in which none Switching of the measuring range of the digital measuring device is necessary. It goes without saying that this also applies to the measurement of other analog quantities applies. This task is given by the one in claim I. Invention solved. A particularly advantageous embodiment of the invention is in the dependent claim marked. The invention will now be explained in more detail with reference to the figures shown in the drawing:

Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung und Fig. 1 shows the basic circuit diagram of an embodiment of the invention and

Fig. 2 zeigt die Eingangsstromspannungscharakteristik des in F i g. I gezeigten Schaltungsteils DR. Fig. 2 shows the input current-voltage characteristic of the in Fig. I circuit part shown DR.

Das in Fig. I gezeigte Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält eine den zu messenden Strom / liefernde Stromquelle G. Die Meßschaltung enthält den logarithmischen Verstärker AL, den Analog-Digital-Wandler AN und den digitalen exponentiell The embodiment of the invention shown in FIG. I contains a current to be measured / supplied current source G. The measuring circuit contains the logarithmic amplifier AL, the analog-digital converter AN and the digital exponential

Wandler EN, der vom Taktgeber HG gesteuert ist.Converter EN, which is controlled by the clock HG.

Der logarithmische Verstärker AL enthält den Operationsverstärker AO der Verstärkung A, dessen invertierender Eingang En einerseits mit der Eingangsklemme E des logarithmischen Verstärkers AL unter Zwischenschaltung des Schutzwiderstandes R1 und andererseits mit dem Ausgang al des logarithmischen Verstärkers unter Zwischenschaltung des Ge₀-enkopplungsnetzwerkes DR verbunden ist, das schematischThe logarithmic amplifier AL contains the operational amplifier AO of the amplification A, whose inverting input En is connected on the one hand to the input terminal E of the logarithmic amplifier AL with the interposition of the protective resistor R 1 and on the other hand to the output al of the logarithmic amplifier with the interposition of the Ge ₀ coupling network DR that schematically

ίο durch die Diode Di dargestellt ist. Der nichtinvertierende Eingang £pdes Operationsverstärkers AO ist mit Referenzpotential, beispielsweise mit Masse, verbunden. ίο is represented by the diode Di. The non-inverting input £ p of the operational amplifier AO is connected to reference potential, for example to ground.

Der an den Operationsverstärker AO gelieferte Strom ist mit /1 und der im Gegenkopplungskreis DR fließende Strom mit /2, ferner die Eingangsspannung des Operationsverstärkers mit Vi und dessen Ausgangsspannung mit V2 bezeichnet.
Es wird vorausgesetzt, daß der Widerstandswert des Schutzwiderstandes R i klein ist und daß der Operationsverstärker AO, dessen Verstärkung A bei offener Schleife sehr groß ist, im linearen Teil seiner Kennlinie betrieben ist. Im Gleichgewichtszustand kann man dann die Eingangsspannung Vl und den Eingangsstrom /1 zu null annehmen. Somit gilt: /= /2.The current supplied to the operational amplifier AO is denoted by / 1 and the current flowing in the negative feedback circuit DR is denoted by / 2, furthermore the input voltage of the operational amplifier is denoted by Vi and its output voltage by V2.
It is assumed that the resistance of the protective resistor R i is small and that the operational amplifier AO, the gain A of which is very large in the open loop, is operated in the linear part of its characteristic curve. In the equilibrium state, the input voltage Vl and the input current / 1 can then be assumed to be zero. Hence: / = / 2.

Die Exponentialkurve nach Fig.2 stellt die Gleichstromänderungen /2 in der Diode D1 als Funktion des Potentialunterschieds V an ihren Klemmen dar. Jedem Wert V entspricht ein Wert /2 derart, daß gilt: H = k (e^v-\). Da /2 = / und V2 = V, wenn Vl=O ist, kann man andererseits auch schreiben:The exponential curve according to FIG. 2 shows the direct current changes / 2 in the diode D 1 as a function of the potential difference V at its terminals. Each value V corresponds to a value / 2 such that: H = k (e ^v - \). Since / 2 = / and V2 = V, if Vl = O, one can also write on the other hand:

¹ = ^ln -h- ¹ = ^ln -h-

Man kann ebenso leicht zeigen, daß ein konstanter Fehler Δ V2 der Ausgangsspannur? V2 einen proportionalen Meßfehler des Eingangsstroms /zur Folge hat.It can just as easily be shown that a constant error Δ V2 in the output voltage? V2 results in a proportional measurement error of the input current /.

Durch die Verwendung des logarithmischen Verstärkers AL erhält man somit eine dem Logarithmus des Meßstroms proportionale Spannung. Der beispielsweise driftbedingte Nullpunktfehler dieses Verstärkers tritt an dessen Ausgang in Form eines proportionalen Fehlers auf. Die Messung schwacher Ströme ist somit mit keinem größeren proportionalen Fehler verbunden als die Messung von größeren Strömen.By using the logarithmic amplifier AL one thus obtains a voltage proportional to the logarithm of the measuring current. The zero point error of this amplifier, for example caused by drift, occurs at its output in the form of a proportional error. The measurement of weak currents is therefore not associated with a larger proportional error than the measurement of larger currents.

Die Ausgangsspannung V2 des logarithmischen Verstärkers AL wird anschließend in einen digitalen Wert umgewandelt. Hierzu wird die Ausgangsspannung V2 dem Eingang des Analog-Digital-Wandlers AN zugeführt. Dieser von den Impulsen des Taktgebers HG getaktete Wandler liefert an seinem Ausgang an Impulse V3, deren Anzahl der Amplitude der Spannung V2 entspricht. Diese Impulse werden dem Eingang des digitalen exponentiellen Wandlers EN zugeführt, der, von den Impulsen des Taktgebers HG getaktet, an seinem Ausgang en eine Anzahl von Impulsen V4 liefert, die dem Exponenten der Anzahl Impulse V3 proportional ist. Die Anzahl der Impulse ¹M ist somit dem Exponenten der Spannung V2 proportional, die wiederum dem Logarithmus des zu messenden Stromes /proportional ist.The output voltage V2 of the logarithmic amplifier AL is then converted into a digital value. For this purpose, the output voltage V2 is fed to the input of the analog-digital converter AN. This clocked by the pulses of the clock HG converter provides at its output of pulses V3, the number of which corresponds to the amplitude of the voltage V2. These pulses are fed to the input of the digital exponential converter EN , which, clocked by the pulses of the clock generator HG , supplies at its output en a number of pulses V4 which is proportional to the exponent of the number of pulses V3. The number of pulses ¹ M is thus proportional to the exponent of the voltage V2 , which in turn is proportional to the logarithm of the current to be measured /.

Somit ist die Anzahl der Impulse V4 proportional dem Strom /. Anschließend werden diese Impulse einem üblichen, jedoch nichtgezeigten Anzeigesystem oder irgendeinem automatischen System zugeführt, das das Meßergebnis auswertet.Thus the number of pulses V4 is proportional to the current /. Then these impulses become a conventional, but not shown, display system or any automatic system capable of the Evaluates measurement result.

Der Analog-Digital-Wandler AN kann so realisiert werden, wie er im französischen Patent 69 33 187 beschrieben ist Der digitale exponentiell Wandler EN kann im Falle eines automatischen Meßsystems vorzugsweise durch einen entsprechend programmierten Digital-Computer realisiert werden.The analog-to-digital converter AN can be implemented as it is described in French patent 69 33 187. The digital exponential converter EN can, in the case of an automatic measuring system, preferably be implemented by a suitably programmed digital computer.

Die erfindungsgemäße Schaltung hat den Vorteil, Ströme von beispielsweise 1 nA bis 1 rrsA ohne Meßbereichsumschaltung messen zu können, so daß ein Zeitgewinn bei der Herstellung ohne Nachteile für dieThe circuit according to the invention has the advantage that currents of, for example, 1 nA to 1 rrsA without To be able to measure measuring range switching, so that a time gain in manufacture without disadvantages for the

Präzision der Bauelemente erreicht werden kann. Aufgrund der Erfindung wurde eine Schaltung realisiert, mit der Stromamplituden innerhalb der angegebenen Grenzen (1 nA bis 1 mA) innerhalb von 2 ms gemessen werden konnten.Precision of the components can be achieved. On the basis of the invention, a circuit was realized measured with the current amplitudes within the specified limits (1 nA to 1 mA) within 2 ms could become.

Das Gegenkopplungsnetzwerk DR des Operationsverstärkers AO, das in den meisten Fällen die Diode D 1 enthält, kann auch durch einen Transistor realisiert werden, wobei die Basis-Emitter-Spannung mit dem Logarithmus des Kollektorstromes variiert.The negative feedback network DR of the operational amplifier AO, which in most cases contains the diode D 1, can also be implemented by a transistor, the base-emitter voltage varying with the logarithm of the collector current.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Claim:

Circuit for measuring the amplitude of an electrical variable with an analog logarithmic converter as the input stage, at the output of which a signal proportional to the logarithm of the input signal arises and which is followed by an analog-digital converter, characterized in that the analog-digital converter (AN) is followed by a digital exponential converter (EN) whose digital output signal is proportional to the exponent of its input signal