DD147299A1

DD147299A1 - PRECISION CONTROL DEVICE FOR A SINUSIVE VOLTAGE

Info

Publication number: DD147299A1
Application number: DD21702379A
Authority: DD
Inventors: Manfred Kempe
Original assignee: Manfred Kempe
Priority date: 1979-11-21
Filing date: 1979-11-21
Publication date: 1981-03-25

Abstract

Die Erfindung ist fuer den Einsatz in der Informationsverarbeitung, insbesondere in der Mesztechnik geeignet. Ziel der Erfindung ist eine Regeleinrichtung groszer Empfindlichkeit und Temperaturstabilitaet sowie geringen Kosten, die unter anderem den Aufbau hochwertiger amplitudengeregelter Sinusoszillatoren ermoeglicht. Die Regeleinrichtung enthaelt einen Komparator,welcher die auszuwertende Wechselspannung mit einer Referenzspannung vergleicht, ein von der Amplitude abhaengiges Tastverhaeltnis seiner zwei Schaltzustaende bildet u. damit den Ladungszustand eines Kondensators steuert,wobei das Verhaeltnis der den Kondensator umladenden Stroeme muehelos so eingestellt wird, dasz ein kurzer Ausgangsimpuls des Komparators waehrend einer Periode der Wechselspannung zur Steuerung eines Stellgliedes beliebiger Art genuegt. Sinusoszillatoren mit der genannten Erfindung enthalten bei hoeheren Anforderungen an ihre Belastbarkeit gegebenenfalls Masznahmen,die einen geringen Oberwellenanteil der sinusfoermigen Spannung gewaehrleisten,zum Beispiel in Form eines gegengekoppelten Leistungsverstaerkers innerhalb der Regelstrecke. Anwendungsgebiet: Informationstechnik.The invention is suitable for use in information processing, in particular in the Mesztechnik. The aim of the invention is a control device great sensitivity and temperature stability and low cost, which allows, among other things, the construction of high-quality amplitude-controlled sine wave oscillators. The control device contains a comparator, which compares the alternating voltage to be evaluated with a reference voltage, a dependent on the amplitude Tastverhaeltnis its two switching states forms u. thus controlling the state of charge of a capacitor, the ratio of the currents transferring the capacitor is easily adjusted so that a short output pulse of the comparator during a period of the AC voltage is sufficient to control an actuator of any kind. Sinusoidal oscillators with the mentioned invention optionally contain measures that ensure a low harmonic content of the sinusoidal voltage, for example in the form of a negative feedback power amplifier within the controlled system, with higher demands on their load capacity. Application: Information technology.

Description

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Titel: Präzisionsregeleinrichtung für eine sinusförmige SpannungT itel: Precision control device for a sinusoidal voltage

Anwendungsgebiet der Erfindung: Areas of application of the invention:

Die Erfindung betrifft eine Präzisionsregeleinrichtung für eine sinusförmige Spannung und ist für den Aufbau von . Regelkreisen mit großer Empfindlichkeit und Temperaturstabilität geeignet.The invention relates to a precision control device for a sinusoidal voltage and is for the construction of. Control circuits with high sensitivity and temperature stability suitable.

Solche Regelkreise werden beispielsweise für Sinusoszillatoren mit temperatur- und lastunabhängiger Ausgangsspannung benötigt, womit sich für die Erfindung umfangreiche Anwendungsmöglichkeiten in der Informationstechnik, besonders in der Meßtechnik ergeben.Such control circuits are needed, for example, for sine oscillators with temperature and load-independent output voltage, which results in the invention extensive applications in information technology, especially in the measurement technique.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen: nachfolgend sollen bekannte technische Lösungen für Sinusoszillatoren untersucht v/erden, deren Amplitude mit Hilfe eines Regelkreises stabilisiert wird. Die bevorzugte Anwendung von Regelkreisen im Interesse oberwellenarmer sinusförmiger Spannungen ist bekannt. Characteristic of the known technical solutions: In the following, known technical solutions for sine-wave oscillators are investigated, the amplitude of which is stabilized with the aid of a control circuit. The preferred application of control loops in the interest of low-harmonic sinusoidal voltages is known.

Als besonderer Nachteil zahlreicher technischer Lösungen ist die unzureichende Temperaturstabilität von Regeleinrichtungen zu nennen, so daß Bauelemente zur Temperaturkompensation eingefügt werden. Die damit erzielbare Genauigkeit ist aber aufgrund der Bauelementetoleranzen erheblich eingeschränkt, wenn aufwendige Auswahl- oder Abgleich-A particular disadvantage of numerous technical solutions is the insufficient temperature stability of control devices to name, so that components are inserted for temperature compensation. However, the accuracy that can be achieved with it is considerably restricted on account of the component tolerances if complicated selection or adjustment

arbeiten entfallen sollen.work should be eliminated.

Zahlreiche bekannte Regeleinrichtungen leiten aus der Amplitude mit Hilfe eines Meßgliedes ein diskretes Signal ab, welches zur Steuerung eines Stellgliedes benutzt wird. Der Aufbau eines temperaturstabilen Gleichrichters und eines temperaturstabilen Gleichspannungsverstärkers erfordert einen erhöhten Aufwand. Einige bekannte Verfahren vermeiden diesen Verarbeitungsweg. Ein Beispiel dafür zeigt die OffenlegungsschriftNumerous known control devices derive from the amplitude by means of a measuring element from a discrete signal, which is used to control an actuator. The construction of a temperature-stable rectifier and a temperature-stable DC amplifier requires increased effort. Some known methods avoid this processing path. An example of this is shown in the published patent application

DE 2 133 379, Offenlegungstag: 18. 1. 1973.DE 2 133 379, disclosure: 18. 1. 1973.

In einer Regeleinrichtung wird die zu regelnde Wechselspannung unmittelbar mit der Referenzspannung einer temperaturkompensierten Z-Diode verglichen, die bei Überschreitung der Sollamplitude entstehende Differenzspannung verstärkt und die damit vorliegende Wechselgröße unmittelbar zur Schwingungsdämpfung genutzt. Diese Regeleinrichtung kann nicht mit einer auf Masse bezogenen Referenzspannungsquelle aufgebaut werden.In a control device, the AC voltage to be controlled is compared directly with the reference voltage of a temperature-compensated Zener diode, which amplifies the differential amplitude when the nominal amplitude is exceeded and the alternating variable thus used is used directly for vibration damping. This control device can not be constructed with a ground reference voltage source.

Ein grundsätzlich anderes Verfahren zeigt die OffenlegungsschriftA fundamentally different method is shown in the published patent application

DE 24 49 376, Offenlegungstag: 22. 4. 1976.DE 24 49 376, disclosure date: 22. 4. 1976.

Hier wird aus der Amplitude ein digitales Signal als Informationsträger abgeleitet. Ein Schalttransistor wird nach Überschreiten seiner Schwellspannung innerhalb der positiven Halbwelle der zu regelnden Wechselspannung durchgesteuert und entlädt periodisch einen Kondensator, wobei diese Schaltzeit ein Maß für die Amplitude ist. lachteilig sind die Temperaturabhängigkeit der Schwellspannung des Schalttransistors und die unzureichende Regelkreisverstärkung, die einer Bewertung der Angaben des .Erfinders zufolge inHere, a digital signal is derived as the information carrier from the amplitude. A switching transistor is turned on after exceeding its threshold voltage within the positive half cycle of the AC voltage to be controlled and periodically discharges a capacitor, this switching time is a measure of the amplitude. The temperature dependence of the threshold voltage of the switching transistor and the insufficient loop gain, which, according to an evaluation of the information given by the inventor, are described in FIG

217023217023

einer beträchtlichen Lastabhängigkeit der Amplitude des Oszillators zum Ausdruck kommt·a considerable load dependence of the amplitude of the oscillator is expressed ·

Object of the invention:

Ziel der Erfindung ist die Realisierung einer temperaturstabilen und empfindlichen Regeleinrichtung mit niedrigen Material- und Fertigungskosten zur Auswertung einer sinusförmigen Spannung.The aim of the invention is the realization of a temperature-stable and sensitive control device with low material and manufacturing costs for the evaluation of a sinusoidal voltage.

Das bedeutet insbesondere, daß die Bauelementetoleranzen auf die Temperaturstabilität keinen nennenswerten Einfluß haben dürfen oder durch einfachsten Abgleich berücksichtigt werden können.This means, in particular, that the component tolerances may have no significant influence on the temperature stability or can be taken into account by the simplest adjustment.

Die Erfindung ist auf das Angebot der integrierten Schaltkreistechnik orientiert. Die Regeleinrichtung soll universell für den Aufbau von Sinusoszillatoren mit unterschiedlicher Wirkungsweise, unter anderem für Oszillatoren mit Doppel-T-Ketzwerk, einsetzbar sein. Die Erfindung liegt damit beispielsweise im Interesse zahlreicher Aufgaben der Meßtechnik.The invention is oriented to the offer of integrated circuit technology. The control device should be universal for the construction of sinewave oscillators with different mode of action, including oscillators with double-T network, can be used. The invention is thus, for example, in the interest of numerous tasks of metrology.

Explanation of the essence of the invention:

Die Erfindung betrifft eine Präzisionsregeleinrichtung für eine sinusförmige Spannung, die sich durch große Empfindlichkeit und Temperaturstabilität auszeichnet. Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine weitgehend temperaturstabile Regeleinrichtung mit hoher Regelsteilheit unter der Voraussetzung zu realisieren, daß sich weder ein erhöhter Aufwand an Sehaltteilen noch ein erhöhter Fertigungsaufwand aufgrund von Bauelementetoleranzen ergeben darf. Damit können erfolgreich temperatur- und laststabile Sinusoszillatoren aufgebaut werden, wie sie für die Meßtechnik bei hohen Genauigkeitsansprüchen benötigt werden.The invention relates to a precision control device for a sinusoidal voltage, which is characterized by high sensitivity and temperature stability. The object of the present invention has been made to realize a largely temperature-stable control device with high regulation rate under the condition that neither an increased cost of Sehaltteilen nor increased production costs may arise due to component tolerances. This can be successfully built temperature and load stable sine wave oscillators, as they are needed for the measurement technology with high accuracy requirements.

In vielen bekannten Fällen setzt sich die Regeleinrichtung aus einem Meßglied, einer Anordnung zum Sollwert-Istwert-Vergleich, einem Verstärker und einem Stellglied zusammen. Ein entscheidender Nachteil einer solchen Regeleinrichtung ist im allgemeinen die Temperaturempfindlichkeit einfacher Meßglieder einschließlich ihrer exemplarabhängigen Streuung, was auf die Temperaturstabilität der gesamten Anordnung einen entschieden nachteiligen Einfluß hat.In many known cases, the control device is composed of a measuring element, an arrangement for reference value-actual value comparison, an amplifier and an actuator. A significant disadvantage of such a control device is generally the temperature sensitivity of simple measuring elements including their copy-dependent scattering, which has a decided adverse effect on the temperature stability of the entire arrangement.

Weiterhin muß bei Einsatz eines Gleichrichters die oft erforderliche hohe Regelkreisverstärkung von einem zusätzlichen Verstärker, der nach der Vergleichsstelle zwischen Soll- und Istwert anzuordnen ist, aufgebracht werden. Daraus resultiert ein zusätzlicher Aufwand an Bauelementen. Ein Beispiel dafür zeigtFurthermore, when using a rectifier, the often required high loop gain of an additional amplifier, which is to be arranged after the reference junction between the setpoint and actual value, must be applied. This results in an additional expense of components. An example of this shows

Georgi, R.: Amplitudenstabiler Sinusgenerator,Georgi, R .: Amplitude stable sine wave generator,

radio fernsehen elektronik 27 (1978) H. 2, S. 114 - 116.radio television electronics 27 (1978) H. 2, P. 114 - 116.

Die eingangs genannte Aufgabe wird nun unter Umgehung dieser Uachteile dadurch gelöst, daß die benötigte Information für das Stellglied unmittelbar ohne Einsatz eines Meßgliedes, zum Beispiel eines Gleichrichters, und ohne Verstärker gewonnen wird.The object mentioned is now achieved bypassing these Uachteile in that the information required for the actuator is obtained directly without the use of a measuring element, for example, a rectifier, and without an amplifier.

Die Regeleinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Komparator 1 mit kleiner Hysterese und kleiner Schaltzeit enthält, welcher die auszuwertende Wechselspannung mit einer Referenzspannung vergleicht, daraus ein von der Amplitude der Wechselspannung abhängiges Tastverhältnis seiner zwei Schaltzustände bildet und damit den ladungszustand eines Kondensators 4 steuert, der zum Beispiel über einen Widerstand 2 und eine Diode 3 am Ausgang des Komparators angeschlossen ist, wobei das Verhältnis der den Kondensator umladenden Ströme zum Beispiel mit Hilfe des Widerstandes 2 so eingestellt wird, daß im Verhältnis zur Periode derThe control device is characterized in that it contains a comparator 1 with small hysteresis and small switching time, which compares the evaluated alternating voltage with a reference voltage, forms a dependent of the amplitude of the alternating voltage duty cycle of its two switching states and thus controls the state of charge of a capacitor 4, which is connected, for example, via a resistor 2 and a diode 3 at the output of the comparator, wherein the ratio of the currents Umladenden the capacitor, for example by means of the resistor 2 is set so that in relation to the period

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Wechselspannung kurze Ausgangsimpulse des Komparators zur Steuerung des Stellgliedes 5 beliebiger Art, zum Beispiel eines bipolaren Transistors genügen.AC voltage short output pulses of the comparator to control the actuator 5 of any kind, for example, a bipolar transistor satisfy.

Weiterhin ist die Regeleinrichtung dadurch gekennzeichnet, daß bei ihrer Anwendung in Sinusoszillatoren eine belastungsabhängige Erhöhung des Oberwellenanteils der zu regelnden Oszillatorspannung unterdrückt wird, indem beispielsweise die Regelstrecke einen gegengekoppelten Leistungsverstärker enthält, vorzugsweise einen Spannungsfolger mit Vorverstärker 8 und Gegentaktemitterfolger 9.Furthermore, the control device is characterized in that a load-dependent increase in the harmonic content of the controlled oscillator voltage is suppressed in their application in sine oscillators, for example, by the controlled system includes a negative feedback power amplifier, preferably a voltage follower with preamplifier 8 and push-pull emitter follower. 9

Der Vorteil dieser Regeleinrichtung gegenüber bekannten technischen Lösungen besteht darin, daß mit einem verhältnismäßig geringen Aufwand an Bauelementen bei einfachster Abgleichmöglichkeit und ohne Auswahl engtolerierter Bauelemente oberwellenarme sinusförmige Wechselspannungen verschiedenartiger oszillierender Anordnungen auf einen von Temperatur und Belastung weitgehend unabhängigen Wert stabilisiert werden können. Gleichzeitig kann eine auf Masse bezogene Referenzspannungsquelle Verwendung finden.The advantage of this control device over known technical solutions is that harmonic low-frequency sinusoidal AC voltages various oscillatory arrangements can be stabilized at a value largely independent of temperature and load with a relatively low cost of components with the simplest possibility of adjustment and without selection. At the same time, a ground reference voltage source can be used.

Embodiment:

Figur 1: Ausführungsbeispiel einer gemäß dem Erfindungsanspruch ausgeführten Regeleinrichtung als Bestandteil eines Sinusoszillators (schematischer Stromlaufplan)1 shows an exemplary embodiment of a control device designed according to the invention claim as a component of a sine-wave oscillator (schematic circuit diagram)

Figur 2: Signalverhältnisse am KomparatorFIG. 2: Signal conditions at the comparator

Das Ausführungsbeispiel einer gemäß dem Erfindungsanspruch ausgeführten Regeleinrichtung als Bestandteil eines Sinusoszillators zeigt Pigur 1. Die harmonische Schwingung kommt durch die Zusammenschaltung eines Verstärkers 6 mit einemThe embodiment of a running according to the invention claim control device as part of a sine wave oscillator shows Pigur 1. The harmonic oscillation comes through the interconnection of an amplifier 6 with a

Doppel-T-=Metzwerk zustande.Double T = Metzwerk.

Die Punktionsweise der Regeleinrichtung wird mit Pigur 2 erläutert. Überschreitet der Momentanwert der zu regelnden sinusförmigen Spannung u_g die Referenzspannung U_Ref am invertierenden Eingang des !Comparators 1, schaltet dieser auf eine Komparatorausgangsspannung TJ. mit dem höheren, positiven Potential U. um. Das Tastverhältnis t /t für dieThe puncturing of the controller is explained with Pigur 2. If the instantaneous value of the sinusoidal voltage u _g to be controlled exceeds the reference voltage U _Ref at the inverting input of the comparator 1, this switches to a comparator output voltage TJ. with the higher, positive potential U. The duty cycle t / t for the

Ae e aAe e a

Komparatorausgangsspannungen U. im eingeschalteten Zustand und TL^ im ausgeschalteten Zustand des Komparators ist eine Funktion und demzufolge ein Maß der Amplitude der sinusförmigen Spannung. Sinngemäß können die Eingänge des Komparators bei Bedarf, wenn das Stellglied eine Steuerspannung umgekehrter Polarität erfordert, vertauscht werden. Das Ausgangssignal des Komparators 1 gelangt über eine Diode 3 auf einen Kondensator 4, dessen Ladungszustand vom Tastverhältnis bestimmt wird. Wird der benötigte Arbeitspunkt des Stellgliedes 5 erfindungsgemäß mit einer sehr kleinen Einschaltzeit t gemäß Pigur 2 erreicht, resultiert aus dem gegen Null gehenden Anstieg der Sinuskurve in der Mähe ihrer Extremwerte die geforderte hohe Empfindlichkeit der Regeleinrichtung.Comparator output voltages U. in the on state and TL ^ in the off state of the comparator is a function and therefore a measure of the amplitude of the sinusoidal voltage. Analogously, the inputs of the comparator can be reversed if necessary, when the actuator requires a reverse polarity control voltage. The output signal of the comparator 1 passes through a diode 3 to a capacitor 4, whose charge state is determined by the duty cycle. If the required operating point of the actuator 5 is achieved according to the invention with a very short switch-on time t according to Pigur 2, the rise in the sinusoid in the vicinity of its extreme values results in the required high sensitivity of the control device.

Pur die Stabilität des Regelkreises sind die Regelkreisverstärkung und die Regelgeschwindigkeit maßgebend. Das Verfahren läßt unter Berücksichtigung beider Größen sehr gute Ergebnisse zu. Die Regelkreisverstärkung erhöht sich bei einer Verkleinerung der mit Hilfe der Referenzspannung U^₆-P einzustellenden Amplitude und muß dementsprechend gewählt werden, z. B.. mit Hilfe des Widerstandes 2, der wertmäßig einem begrenzten Amplitudenintervall zuzuordnen ist.Purely the stability of the control loop, the control loop gain and the control speed are decisive. The method allows for very good results considering both sizes. The control loop gain increases with a reduction of the amplitude to be set with the aid of the reference voltage U ^ ₆ -P and must be selected accordingly, for. B .. by means of the resistor 2, which is assigned to a limited amplitude interval in terms of value.

Das Umwandlungsverfahren mit Hilfe des Komparators ermöglicht eine wirkungsvolle Ausregelung des Temperatureinflusses auf die Diode 3, das Stellglied 5 und auf den Komparator 1 selbst. Damit ist die Temperaturstabilität der Regelein-The conversion method with the aid of the comparator enables an effective compensation of the temperature influence on the diode 3, the actuator 5 and on the comparator 1 itself. Thus, the temperature stability of the control unit

2 17 023 - τ -2 17 023 - τ -

richtung unter der Voraussetzung eines genauen und schnellen Komparators offensichtlich·. Diese Voraussetzung wird von der integrierten Schaltkreistechnik ohne besonderen Aufwand erfüllt·direction assuming a precise and fast comparator obviously ·. This requirement is fulfilled by the integrated circuit technology without any particular effort.

Erfolgt die Zuführung der Oszillatorspannung u beziehungs-If the supply of the oscillator voltage u relieves

weise der Referenzspannung U_Rei· über Spannungsteiler, müssen die Temperaturkoeffizienten der Teilwiderstände selbstverständlich gut übereinstimmen.as the reference voltage U _Rei · over voltage divider, the temperature coefficients of resistance elements must obviously good match.

Die beschriebene Arbeitsweise der Regeleinrichtung setzt eine oberwellenarme Oszillatorspannung voraus, weil nur die Änderung der Amplitude, nicht aber eine Änderung des Effektivwertes ausgeregelt wird. Deshalb wird dem bei Bedarf in den Regelkreis einbezogenen Gegentaktemitterfolger 9 ein Vorverstärker 8 zugeschaltet, so daß nichtlineare Verzerrungen des Gegentaktemitterfolgers bei Belastung durch Gegenkopplung auf den Vorverstärker reduziert werden. Gleichzeitig wird dadurch die geforderte Verstärkung, zum Beispiel von ν = 1 für einen Spannungsfolger, lastunabhängiger, so daß die Regeleinrichtung entlastet wird.The described operation of the control device requires a low-harmonic oscillator voltage, because only the change in the amplitude, but not a change in the effective value is compensated. Therefore, the push-pull emitter follower 9, which is included in the control loop when needed, is switched to a pre-amplifier 8, so that non-linear distortions of the push-pull termination follower under negative feedback load are reduced to the pre-amplifier. At the same time, the required gain, for example, of ν = 1 for a voltage follower, becomes load-independent, so that the control device is relieved.

Die Empfindlichkeit der Regeleinrichtung gewährleistet eine ausreichende Unabhängigkeit der Amplitude von den Betriebsspannungen +IL· und -UgThe sensitivity of the control device ensures sufficient independence of the amplitude from the operating voltages + IL · and -Ug

Die Referenzspannungsquelle muß temperaturstabil sein. The reference voltage source must be temperature stable.

Claims

Invention entitled;

1 · Precision control device for a sinusoidal voltage, characterized in that the control device includes a comparator (1) which compares the AC voltage to be evaluated with a reference voltage, forms a dependent of the amplitude of the AC voltage duty cycle of its two switching states and thus the charge state of a capacitor ( 4), which is connected, for example, via a resistor (2) and a diode (3) at the output of the comparator, wherein the ratio of the currents reversing the capacitor, for example by means of the resistor (2) is adjusted so that in proportion to the period of the AC voltage short output pulses of the comparator for controlling the actuator (5) of any kind, for example a bipolar transistor satisfy

2 · Precision control device according to item 1, characterized in that when applied in sine oscillators, a load-dependent increase of the harmonic content of the controlled oscillator voltage is suppressed by, for example, the controlled system (6, 7, 8, 9) includes a negative feedback power amplifier, preferably a voltage follower Preamplifier (8) and push-pull emitter follower (9) ·

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