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Multiplikationsschaltung
In Regelungen, besonders digitalen, sind vielfach Rechenschaltungen einzusetzen, die zwischen einzelnen Regelkreissignalen oder Regelkreisbeeinflussungen (z. B. Sollwert bzw. Leitwert) Verknüpfungen herstellen, an die besonders hohe Anforderungen hinsichtlich dynamischer und Langzeitgenauigkeit (z. B. Vermeidung von Nullpunktsdrift) gestellt werden. Die bisher bekannten Lösungen für Rechenwerke zu Multiplikationsaufgaben und abgeleiteten Operationen lassen noch einige Wünsche hinsichtlich Gleichförmigkeit der Arbeitsweise, Einfachheit im Aufbau sowie Anpassungs-, Erweiterungs- und Begrenzungsfähigkeit offen.
Es ist z. B. aus der DAS 1138101 eine Anordnung zur feinstufige Änderung der normalerweise konstanten oder variablen Frequenz einer Impulsfolge bekannt, bei der die in ihrer Frequenz zu ändernde Impulsfolge über den einen Eingang eines bidirektionalen Zählers mit Analogausgang und einen von der Ausgangsgrösse des bidirektionalen Zählers in seiner Frequenz gesteuerten Frequenzgenerator in eine Impulsfolge wesentlich höherer Frequenz umgeformt wird und sodann über einen Untersetzer feinstufig in eine Impulsfolge der gewünschten Frequenz untersetzt wird, während zur Konstanthaltung der durch den Frequenzgenerator bewirkten Frequenzvervielfachung die Impulsfolge wesentlich höherer Frequenz ausserdem über einen andern Untersetzer dem zweiten Eingang des bidirektionalen Zählers zugeführt und so ein geschlossener Regelkreis gebildet wird.
Dabei kann der erstgenannte Untersetzer einstellbar und der zweitgenannte fest eingestellt sein oder umgekehrt.
Bei der erfindungsgemässen, ebenfalls in Form einer Regelungsanordnung ausgebildeten Multiplikationsschaltung wird an Stelle eines bidirektionalen Zählers und des seinem zweiten Eingang vorgeschalteten Untersetzers mit grossem Vorteil ein sogenannter Rücksprungzähler verwendet, wie er in der österr. Patentschrift Nr. 227843 beschrieben ist. Beim Rücksprungverfahren wird der augenblickliche Stand eines Zählers, in den eine Impulsfolge unterbrechungslos einzählt, periodisch abgefragt, u. zw. mit einer vergleichsweise niedrigeren Frequenz fE, die nahezu synchron ist zur Frequenz des Rückspringens des Zählers. Bei Gleichheit der beiden letztgenannten Frequenzen ist die abgefragte Zahl kon-
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Stationärzustand genügen die beteiligten Grössen(Divisonsschaltung).
Gegenstand der Erfindung ist eine Multiplikationsschaltung in Form einer Regelungsanordnung, die durch einen Rücksprungzähler gekennzeichnet ist, dessen vorzugsweise einstellbare freie Zählkapazität (E) den einen Faktor und dessen Einzählfrequenz (fA) das Produkt der Multiplikation darstellt, wobei die letztere Frequenz (fa) selbsttätig auf Gleichheit oder Proportionalität der Rücksprungfrequenz mit einer der Schaltung zugeführten, den andern Faktor darstellenden Frequenz (fE) geregelt ist.
Die Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemässen Multiplikationsschaltung und Fig. 2 ein Beispiel einer weitergebildeten solchen Schaltung.
Die Multiplikationseinrichtung soll eine fortlaufende Berechnung des Produktes fA = fE. E er-
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möglichen, wobei fE eine Eingangsfrequenz, E eine in paralleler beliebig codierter Form in einem Speicher anstehende Zahl und fA die Ausgangsfrequenz, also ein Vielfaches von fss, darstellen. Die Zahl E gibt, wie in Fig. 1 veranschaulicht, die freie Zählkapazität des Rücksprungzählers vor, indem der Komplementärwert K-E zum vollen Fassungsvermögen K des Rücksprungzählers uni mittelbar nach dessen Rückspringen eingegeben wird. (In den Zeichnungen werden Zahlen im Signalfluss durch einen Doppelstrich gekennzeichnet.) Der Rücksprungzähler wird von einem elektronischen Oszillator der Frequenz fA gespeist.
Die Frequenz am Ausgang des Zählers, die geteilte Frequenz fA/E, wird in zwei Vergleichsgliedern für Frequenz und Phase mit der Eingangsimpulsfolge der Frequenz fE verglichen und über das Stellglied die Ausregelung besorgt. Als Folge der Berücksichtigung der Phasenabweichung wird dabei der Frequenzfehler vollständig zum Verschwinden gebracht.
Von herkömmlichen Multiplikationsschaltungen unterscheidet sich die angegebene Schaltung durch die Art des Phasenvergleichs und den grösseren Regelbereich, durch die Art des Multiplikationsvorganges, durch das Grössenverhältnis der Eingangs- zur Ausgangsfrequenz und vor allem durch die Tatsache einer praktisch äquidistanten Folge der Ausgangsimpulse.
Die Fig. 2 bringt ausführlichere Schaltungsangaben für ein Ausführungsbeispiel. Der z. B. dezimal arbeitende Zähler (genannt E-Zähler) bildet mit dem nachgeschalteten Binärteiler (Flipflop) den Rücksprungzähler. Die Nachschaltung des Binärteilers ist, wenn der Rllcksprungzähler nur als Zweipunktregler ausgelegt ist und soferne nicht (K-E) K, notwendig, um trotz der unmittelbar auf das Rückspringen folgenden Paralleleingabe (von K-E in den E-Zähler) bei Vorliegen des fE-Impulses einfach feststellen zu können, ob der E-Zähler bereits rückgesprungen ist oder nicht (Diskriminator für Phasenlage). Die Einschaltung der Binärteiler erniedrigt die Messfolgefrequenz um den Faktor zwei ; der zulässige Phasenbereich (ausgenutzt bei grösseren Störungen) wird jedoch verdoppelt.
Der fA-Oszillator wird nicht nur vom Phasenmesswerk (über ein Glättungsglied und eine analog arbeitende Reduzierstufe zur gleichmässigen Beeinflussung im gesamten Bereich), sondern z. B. auch von einem Frequenzvergleichsglied zur Beschleunigung von Ausregelvorgängen und schliesslich vom E-Speicher durch einen (grobstufigen) Vorstrom beaufschlagt.
Zur vollen Ausnutzung der Rücksprungfrequenz als Messfolgefrequenz kann der letzte Binärteiler im Rücksprungzähler durch ein Monoflop ersetzt werden, dessen Haltezeit TM an die halbe Periode von fE angepasst wird.
Der Erfindungsgedanke besteht also in der Verwendung des bekannten Rücksprungverfahrens (österr.
Patentschrift Nr. 227843) für ein Phasenvergleichsglied (entsprechend erweitert durch Monoflop oder Binärteiler (Flipflop) in einer Regelungsschleife zum Zwecke der Multiplikation (Frequenzvervielfachung) einer eingegebenen Frequenz und einer (parallel anstehenden, beliebig codierten) Zahl. Die beschriebenen Systeme zeichnen sich bei geeigneter Einstellung der Regelkreises durch eine nahezu äquidistante Ausgangsimpulsfolge der Frequenz fA aus.
Die Einstellfeinstufigkeit (d. h. Stellenzahl) der Zahl E ohne Steigerung der oberen Frequenzgrenze zu verbessern, gelingt durch Anwendung von Gedankengut aus der österr. Patentschrift Nr. 240477, nämlich, wie nachstehend erläutert, durch geringfügig ungleichförmigen Betrieb, der aber noch keine nachteiligen Auswirkungen auf eine nachfolgende Regelung (mit z. B. fA als Sollwert) auftreten lässt.
Zur Durchführung der gestellten Aufgabe, die Stufen- bzw. Stellenzahl zu erhöhen, wird die Wertigkeit (z. B. 4) einer Zehntel-Dezimalstelle von E in das zeitliche Einschaltverhälmis (z. B. 4 zu 10) eines Flipflop umgewandelt, der den ungleichförmigen Betrieb dadurch festlegt, dass, von seinen beiden Stellungen gesteuert, entweder einzelne Impulse in der Einspeisung zum Rücksprungzähler unterdrückt werden oder der Zyklus des Messsystems abwechselnd bei Erreichen von 99 bzw. 100 wiederholt wird, was schaltungstechnisch recht einfach zu erzielen ist. Desgleichen kann auch die Eingabe von (K-E) zyklisch um geringfügige Werte verändert werden (z. B. Veränderung um eins). Volle Gleichförmigkeit wird bei dieser Anordnung erst nach Durchlaufen von zehn untereinander geringfügig unterschiedlichen Arbeitszyklen des Rücksprungzählers erreicht.
Eine gleichmässigere Verteilung dieser verschiedenen Arbeitszyklen ist nicht erforderlich, da die Ausgangsfrequenz fA die geringfügigen sprungartigen Veränderungen (entsprechend der Steuerung vom Flipflop) nur mit dem Zeitverhalten des geschlossenen Regelkreises in bedämpfter Form nach aussen dringen lässt.
Das genannte Prinzip kann, längere Regelzeitspannen zum Zwecke der Mittelwertbildung vorausgesetzt, auch für mehrere Dezimalstellen fortgesetzt werden, wobei z. B. die Hundertstel-Stelle entweder als Zehntel der Zehntel-Stelle oder als Hundertstel der Einer-Stelle aufgefasst werden kann.
Wie die Gleichung fA = E-E für die Produktbildung zeigt, besteht hiemit die Möglichkeit,
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einen ziffernmässig (an Einstellrädchen, Lochkarten oder Lochstreifen) vorgegebenen Zahlenwert E mit der Genauigkeit einer Bezugsfrequenz fE in eine Frequenz fA umzuformen, wovon besonders bei Regelungen (z. B. Sollwertvorgabe) Gebrauch gemacht werden kann. Bei Verhältnisregelungen (z. B.
Mischungsregelungen, Papiermaschinenregelungen) können durch Aufbau mehrerer gleichartiger Multiplikationsschaltungen die Sollfrequenzen für die Teilregelungen (z. B. Mischungskomponenten-Regelungen) errechnet werden, so dass dann deren Verhältnisse zueinander den ziffernmässig vorgewählten Verhältniswerten gänzlich gleichkommen.
Das Prinzip der Multiplikation kann fortgesetzt werden, indem mehrere Multiplikatoren hintereinandergeschaltet werden (z. B. bei Angabe sowohl des Sollwertes als auch des Verhältniswertes, z. B. zwischen zwei Sollwerten, oder des Massstabes, z. B. für die Erfassung einer Regelgrösse, in Zahlen- form).
PATENTANSPRÜCHE :
1. Multiplikationsschaltung in Form einer Regelungsanordnung, gekennzeichnet durch einen Rucksprungzähler, dessen vorzugsweise einstellbare freie Zählkapazität (E) den einen Faktor und dessen Einzählfrequenz (fA) das Produkt der Multiplikation darstellt, wobei die letztere Frequenz (fA) selbsttätig auf Gleichheit oder Proportionalität der Rücksprungfrequenz mit einer der Schaltung zugeführten, den andem Faktor darstellenden Frequenz (fE) geregelt ist.