DE1154297B - Elektronische Schaltung zur Ausfuehrung von Divisionen ueber vier Quadranten - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

G 29879 IXc/42m

ANMELDETAG: 18. JUNI 1960

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABEDER AUSLEGESCHRIFT!

12. SEPTEMBER 1963

Die Erfindung bezieht sich auf Analogschaltungen zur Quotientenbildung über vier Quadranten.

Bei Analogrechenmaschinen, automatischen Steuereinrichtungen und in der Instrumentationstechnik ist es oft erforderlich oder wünschenswert, Einrichtungen vorzusehen, die variable Eingangssignale empfangen, welche mit einem Dividenden oder einem Divisor vergleichbar sind, und die ein Ausgangssignal liefern, welches mit ihrem Quotienten vergleichbar ist. Die mathematische Operation einer Division weicht von der Arbeitsweise für eine Addition, Subtraktion, Multiplikation und Integration dadurch ab, daß die Ausgangsgröße nach Unendlich geht, wenn eine der Eingangsvariablen, der Divisor, Null wird. Eine bekannte Divisionstechnik verwendet einen Rückkopplungs-Vervielfacher, bei dem der Rückkopplungs-Proportionalitätsfaktor entsprechend dem Divisor gesteuert wird. In derartigen Schaltungen kann jedoch der Divisor nicht über Plus- und Minuswerte verändert werden, da eine positive Rückkopplung den Rückkopplungs-Vervielfacher zum Schwingen bringen würde. Eine relative Begrenzung existierte bei früheren Servodivisionsschaltungen, in der der Servo gegen eine Begrenzung lief, falls der Divisor Null wird.

Eine Division, bei der der Dividend von irgendeiner Polarität sein kann, der Divisor aber nur eine einzige Polarität haben kann, wird als 2-Quadranten-Division bezeichnet. Um eine 4-Quadranten-Division richtig ausführen zu können, ist es erforderlich, daß das Vorzeichen oder die Polarität des Ausgangssignals immer genau auf die Polaritäten der Eingangsspannungen des Dividenden und des Divisors abgestimmt ist. Es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Quotientenbildner des letzteren Typs zu schaffen, der rein elektronisch betrieben wird, d. h. keine mechanisch beweglichen Teile besitzt, und der einfach, wirtschaftlich und zuverlässig ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe der Schaffung einer 4-Quadranten-Divisionsschaltung geht die Erfindung aus von einer bekannten 2-Quadranten-Divisionsschaltung mit einem Zeitmodulationsnetzwerk, welches auf eine den Dividenden darstellende Eingangsspannung und eine Rückkopplungsspannung anspricht, um zwei im wesentlichen rechteckige Spannungswellen zu erzeugen mit Zeitbreiten, die der Spannung des Dividenden direkt proportional sind, wobei die eine der beiden Rechteckwellen die komplementäre Form der anderen ist, und mit einer elektronischen Begrenzer-Rückkopplungsschaltung, der eine der rechteckigen Wellenspannungen zugeführt Elektronische Schaltung

zur Ausführung von Divisionen

über vier Quadranten

Anmelder:

General Precision Inc., Binghamton, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr. K.-R. Eikenberg, Patentanwalt, Hannover, Am Klagesmarkt 10/11

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 19. Juni 1959 (Nr. 821 520)

Hermann Schmid, Binghamton, N. Y. (V. St. A.), ist als Erfinder genannt worden

wird und die die Amplitude der Welle entsprechend der variablen Eingangsgröße begrenzt, die das Divisorsignal darstellt, wobei die Rückkopplungsspannung von dem in der Amplitude begrenzten Ausgangssignal rechteckiger Wellenform der elektronischen Begrenzerschaltung abgenommen wird. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spannungen rechteckiger Wellenform am Ausgang des Zeitmodulationsnetzwerkes einem elektronischen Schaltkreis zugeführt werden, der auswählt, welche der Spannungen rechteckiger Wellenform der Begrenzerschaltung zugeführt wird, wobei die eine Spannung rechteckiger Wellenform ausgewählt wird, wenn das den Divisor darstellende Eingangssignal positiv ist, und die andere, wenn das den Divisor darstellende Eingangssignal negativ ist.

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, näher beschrieben.

Entsprechend der Zeichnung wird die dem Dividenden entsprechende variable Eingangsspannung V_x der Leitung 10 zugeführt und die dem Divisor entsprechende variable Eingangsspannung V_y der Leirung 11. Wie durch die Plus- und Minuszeichen in der Zeichnung angegeben, kann jede der Eingangsspannungen entweder positiv oder negativ mit Bezug

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auf das Erdpotential sein. Wenn die Spannung V_x proportional einer Variablen χ ist und die Spannung Vy proportional einer Variablen y, ist die Ausgangsspannung V₀ an der Leitung 12 proportional x/y, dem Quotienten aus χ und y.

Die F_x-Eingangsspannung wird über den Bemessungswiderstand R-X dem Eingangskreis eines direkt gekoppelten Verstärkers J7-101 zugeführt, der bekannter Art sein kann. Außerdem wird dem Ein-Die rechteckigen Impulse werden den Kollektorelektroden der Transistoren T-X und Γ-2 zugeführt, die einen komplementären Transistorschaltkreis 29 bilden, wobei der Transistor T-X vom NPN- und der S Transistor Γ-2 vom PNP-Typ ist. Ein Steuerpotential wird über den Leiter 21 und Widerstände R-2 und R-3 den Basiselektroden der Transistoren T-X und Γ-2 zugeführt. Das Steuerpotential wird vermittels eines elektronischen Steuerkreises, der einen direkt

gangskreis von Ϊ7-101 über den Bemessungswider- io gekoppelten Verstärker 17-103 und entgegengesetzt stand R-2 eine degenerative Rückkopplungsspannung gekoppelte Zener-Dioden X-X und X-2 besitzt, die als zugeführt, die mit der F_x-Spannung verglichen wird, Rückkopplungsbegrenzer geschaltet sind, abgeleitet, um ein Fehlerpotential abzuleiten, wodurch der Ver- Die Divisorspannung V₃, der Variablen y wird von stärker 17-101 betätigt wird. Die Ausgangsspannung der Leitung 11 über einen Bemessungswiderstand R-4 des Verstärkers Z7-101 wird einem sich periodisch 15 angelegt zu dem Eingangskreis des Verstärkers

ändernden Modulationspotential überlagert, beispielsweise einer Sinus-Schwingung oder einem Sägezahn-Wellenpotential von 1000 Hz, vermittels des Transformators !Γ-101. Den Leitungen 13 und 14 wird ein 17-103, der eine hohe Verstärkung bewirkt. Immer wenn die V_y-Spannung größer wird als 1 oder 2 mV, erscheint eine positive Spannung von 22 V, nämlich die Sperrspannung der beiden Dioden, an dem

Wechselstrompotential angelegt, um die Primärwick- 20 Leiter 21. Umgekehrt, immer wenn die F^-Spannung

lung 15 zu erregen. Der Gleichstrompegel der Sekundärwicklung 16 des Transformators Γ-101 wird von der Ausgangsspannung des direkt gekoppelten Verstärkers 17-101 über die Leitung 17 bestimmt, so — 1 oder 2 mV unterschreitet, erscheint eine negative Spannung von 22 V an dem Leiter 21. Es ist nicht unbedingt erforderlich, daß die Steuerspannung an dem Leiter 21 ganz genau für beide Polaritäten der

daß das zusammengesetzte Potential, welches dem 25 V^-Eingangsspannung gleich ist. Der Zweck der

quadratischen Verstärker Z7-102 zugeführt wird, aus überlagerten Potentialen besteht. Es sind verschiedene andere Wege zur Überlagerung zweier derartiger Potentiale bekannt und können statt dessen verwendet werden.

Der quadratische Verstärker U-102 kann irgendeiner bekannten Konstruktion angehören. Ein solcher Verstärker ist für eine hohe Verstärkung und Übersteuerung konstruiert, so daß er immer gesättigt ist, wenn das Eingangssignal mehr als 10 oder 20 mV mit Bezug auf Erde übersteigt. Dadurch entstehen Ausgangspotentiale von im wesentlichen rechteckiger Wellenform. Der quadratische Verstärker J7-102 ist so ausgeführt, daß er Gegentakt-Ausgangspotentiale Zener-Dioden besteht lediglich darin, die Größe der Steuerspannung zu begrenzen, um eine Zerstörung der Transistoren T-I und Γ-2 zu vermeiden, wenn der Wert von V₃, zu groß wird, weil der Verstärker 17-103 mit einer großen Verstärkung versehen ist, und um zu verhindern, daß eine Sättigung des Verstärkers i/-103 eintritt, damit eine unnötige Verzögerung durch die Erholung des Verstärkers, die sonst eintreten würde, vermieden wird.

Die Polarität der Steuerspannung an dem Leiter 21 bestimmt, welche der Kollektorspannungen der Transistoren T-X und Γ-2 an dem gemeinsamen Emitteranschluß 23 des Transistorschalters erscheinen soll. Macht z. B. die Steuerspannung die Transistorbasen

an den Leitern 18 und 20 erzeugt. Diese Potentiale 40 positiv, erscheinen die rechteckigen Impulse des sind so bemessen, daß sie die höchsten Werte der Leiters 18 und der Kollektorelektrode des NPN-die an die Leitung 21 angelegt wird,

Spannung, die an
immer übersteigen.
Wenn der Ausgangsleiter 17 des Verstärkers 17-101 Transistors T-X an der Leitung 23, und umgekehrt bei negativer Steuerspannung erscheinen die rechteckigen Impulse des Leiters 20 und der Kollektor

auf Erdpotential ist, wird das Eingangspotential zum 45 elektrode des PNP-Transistors Γ-2 an dem Anschluß

quadratischen Verstärker Z7-102 aus zwei Halbwellen entgegengesetzter Polarität und gleicher Zeitdauer bestehen, wenn ein Sinus-Potential an den Transformator Γ-101 angelegt wird. Dadurch ergeben sich Ausgangspotentiale an den Leitern 18 und 20, die aus positiven und negativen rechteckigen Impulsen gleicher Zeitspanne bestehen. Wenn der Leiter 17 mit Bezug auf Erde jedoch positiv ist, wird das Eingangspotential zum Verstärker E/-102 während einer

23. Es ist somit zu erkennen, daß der Verstärker Z7-103 Einrichtungen enthält, die die Polarität der Divisorspannung feststellen und die Arbeitsweise des Transistorschalters 29 steuern.

Die rechteckigen Impulse an dem Anschluß 23 werden dazu verwendet, über Widerstände 33 K die Basiselektroden eines identischen komplementären Transistorschalters 30 zu speisen, der aus einem PNP-Transistor Γ-3 und einem NPN-Transistor T-4

Schwingung des Wechselstrompotentials mit Bezug 55 besteht, deren Kollektorelektroden durch Spannungen auf Erde positiv für eine Periode, die größer ist als entgegengesetzter Polarität erregt werden, welche

dem Werte nach der y-Variablen vergleichbar sind, und deren Emitter an dem Leiter 24 zusammen

eine halbe Schwingung, und negativ mit Bezug auf Erde für eine Periode, die kiemer ist als eine halbe Schwingung. Dadurch entsteht an dem Leiter 18 ein geschaltet sind. Die Funktion des komplementären

Ausgangspotential, welches aus einem positiven 60 Schalters mit den Transistoren Γ-3 und Γ-4 ist die

rechteckigen Impuls besteht, der eine größere Zeit andauert als eine halbe Schwingung, und aus einem negativen rechteckigen Impuls, der weniger als eine halbe Schwingung dauert; und ferner ergibt sich daeines Begrenzers und bewirkt eine Begrenzung der Amplitudenausschläge der rechteckigen Impulse des Anschlusses 23 auf Werte, die mit den Werten der Spannung V₃, der ^-Variablen vergleichbar sind. Die

durch ein umgekehrt proportionaler Satz von Im- 65 amplitudenbegrenzten Impulse an dem gemeinsamen

pulsen am Leiter 20, wenn die Zeitdauer der negativen Schwingungen die Zeitdauer der positiven Schwingungen übersteigt.

Emitteranschluß 24 werden durch einen üblichen Impulsmittler oder durch ein übliches Integrationsfilter 25 gefiltert, um das obenerwähnte degenerative

Rückkopplungspotential zu erhalten, welches eine geschlossene Schleifenschaltung vervollständigt. Die geschlossene Schleifenschaltung ist mit hoher Verstärkung versehen, was zur Folge hat, daß die Zeitbreiten der rechteckigen Impulse der Leiter 18 und 20 sich vollständig linear mit den Änderungen der die x-Variable darstellenden Eingangsspannung ändern, unabhängig davon, ob das periodische Wechselstrompotential, welches verwendet wird, sinusartigen oder sägezahnartigen Charakter besitzt. Da die Spannung V_y der y-Variablen zur Bestimmung des Wertes des degenerativen Rückkopplungspotentials angelegt wird, besitzt eine Variation des Fy-Potentials eine umgekehrte Wirkung wie die Wirkung einer Variation der Spannung V_x der ^-Variablen, und daher verändern sich die Zeitbreiten der rechteckigen Impulse

an dem Anschluß 23 entsprechend mit ~- oder

Falls erforderlich, kann der Filter 25 durch einen Rückkopplungskondensator ersetzt werden, der zwisehen den Ausgang und Eingang des Verstärkers U-IOl geschaltet ist.

Wenn angenommen wird, daß der Divisor oder die Spannung V₃. der y-Variablen immer eine bestimmte Polarität besitzt, würde einer der Transistoren T-I oder Γ-2 dauernd die Impulse des Leiters 18 oder diejenigen des Leiters 20 mit dem Anschluß 23 verbinden, und eine 2-Quadranten-Division würde vermittels der Schaltung durchgeführt. Die Einfügung des Schaltkreises 29 in die Schleife und die Steuerung des Schaltkreises in Abhängigkeit von dem Vorzeichen der die y-Variablen darstellenden Spannung Vy durch die Steuerspannung des Leiters 21 gestatten eine genaue und stabile 4-Quadranten-Arbeitsweise. Eine Division über zwei Quadranten, bei denen die Divisor-Eingangsspannung V_y positiv ist, wird dadurch herbeigeführt, daß die Basen von Γ-l und Γ-2 negativ werden, wodurch der NPN-Transistor T-I die an seinem Kollektor liegenden rechteckigen Impulse zum Anschluß 23 weiterführt. Es ist darauf hinzuweisen, daß eine Änderung im Sinne der F^-Spannung an der Leitung 11 auch die entsprechenden Polaritäten der beiden ^-Spannungen entgegengesetzter Polarität ändert, die den Kollektoren der Transistoren Γ-3 und Γ-4 zugeführt werden. Obgleich diese beiden in der Polarität entgegengesetzten Spannungen der Größe nach mit der y-Variablen vergleichbar sind und in der Zeichnung als von dem die Polarität umkehrenden Rückkopplungsverstärker abgeleitet dargestellt sind, können in vielen Fällen der Anwendung der Erfindung derartige Eingangsspannungen durch andere Einrichtungen geliefert werden, wie beispielsweise durch entgegengesetzt erregte Potentiometer auf einer Servowelle für eine y-Variable.

Die rechteckigen Impulse an der Leitung 23 können zur Speisung der Basiselektroden eines weiteren Schalters 28 verwendet werden, der ebenfalls als elektronischer Begrenzer arbeitet. Der Schalter 28 kann den Schaltern 29 und 30 identisch sein. Spannungen entgegengesetzter Polarität, die mit einer Konstante c oder einer weiteren Variablen ζ vergleichbar sind, werden den Kollektorelektroden des Schalters 28 zugeführt, und die Amplituden der Impulse, die an dem Leiter 31 erscheinen, werden dann entsprechend der Konstante c oder auch der Variablen ζ begrenzt. Die Impulse am Leiter 31 können dann einer üblichen Impulsmittlereinrichtung, beispielsweise einem Filter 32, zugeführt werden, so daß sich ein analoges Ausgangspotential V₀ an der Leitung 12 ergibt, welches mit — oder ^- vergleichbar ist.

y y

Wenn das Eingangspotential der x-Variablen sich in seiner Polarität ändert, wird sich das Ausgangspotential in ähnlicher Weise in seiner Polarität ändern, da die Gegentaktsignale, die dem Schalter 29 zugeführt werden, sich in ihrer Polarität umkehren. Falls die Eingangsspannung der y-Variablen die Polarität ändert, wird auch das Ausgangspotential in ähnlicher Weise seine Polarität ändern, weil das Steuerpotential am Leiter 21 den Schalter 29 dazu bringt, das andere der Gegentaktsignale der Leitung und dem Schalter 28 zuzuführen. Falls jedoch sowohl die Eingangsspannung der ^-Variablen als auch die Eingangsspannung der y-Variablen ihre Polarität ändern, wird die gleiche Polarität des Gegentaktsignals weiterhin der Leitung 23 und dem Schalter 28 zugeführt. Es ist also zu erkennen, daß die Polarität des Ausgangspotentials richtig auf das Vorzeichen des Dividenden und des Divisors der Eingänge bezogen ist über alle vier Quadranten.

Claims (10)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Elektronische Schaltung zur Ausführung von Divisionen über vier Quadranten mit der richtigen Polarität des Ausgangsquotientensignals unter Verwendung eines Zeitmodulationsnetzwerkes, das auf die Eingangsspannung des variablen Dividenden und eine Rückkopplungsspannung anspricht, zur Erzeugung zweier Spannungen von im wesentlichen rechteckiger Wellenform mit Zeitbreiten, die direkt proportional der Dividendenspannung sind, wobei die eine der beiden Rechteckwellen die komplementäre Form der anderen ist, und einer elektronischen Begrenzer-Rückkopplungsschaltung, die diese Spannungen rechteckiger Wellenform empfängt und die Amplitude der Wellenform in Abhängigkeit von dem variablen Eingangswert des Divisorsignals begrenzt, wobei die Rückkopplungsspannung von dem in der Amplitude begrenzten Ausgangssignal rechteckiger Wellenform des elektronischen Begrenzerkreises abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spannungen rechteckiger Wellenform am Ausgang des Zeitmodulationsnetzwerkes einem elektronischen Auswahl-Schaltkreis zugeführt werden, der eine der Spannungen rechteckiger Wellenform auswählt, die dem Begrenzerkreis zugeführt wird, wobei die eine Spannung rechteckiger Wellenform ausgewählt wird, wenn das Eingangssignal des Divisors positiv ist, und die andere, wenn das Eingangssignal des Divisors negativ ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal rechteckiger Wellenform der Begrenzerschaltung gefiltert oder gemittelt wird, um eine Gegenkopplungs-Gleichspannung zu erhalten, die mit der Eingangsspannung des Dividenden am Eingang eines summierenden Verstärkers summiert wird.

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitmodulationsnetzwerk das Ausgangssignal des summierenden Verstärkers empfängt und Einrichtungen zur Überlagerung des variablen Gleichstrom-Ausgangs-

signals des summierenden Verstärkers mit einer Wechselspannung enthält und einen sich sättigenden quadratischen Verstärker, der die modulierte Spannung als Eingangssignal erhält und als Ausgangssignal zwei Spannungen rechteckiger Wellenform im Gegentakt erzeugt.

4. Schaltung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Endausgangssignal der gesamten Schaltung durch Filterung oder Mittelung des Ausgangssignals eines weiteren elektronischen Begrenzers erhalten wird, welcher als Eingangssignal eine Spannung rechteckiger Wellenform erhält, die durch den Auswahl-Schaltkreis ausgewählt ist, und der die Amplituden der rechteckigen Wellenform entweder auf einen konstanten Wert oder in Übereinstimmung mit einem Eingangssignal einer dritten Variablen begrenzt.

5. Schaltung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Auswahl-Schaltkreis durch eine Steuerspannung gesteuert wird, die am Ausgang von einem Verstärker erhalten wird, der das Divisor-Eingangssignal empfängt, welches in Form einer analogen Spannung seinem Eingang angelegt wird und der zwei entgegengesetzt gepolte Zener-Dioden enthält, die zwischen seinen Ausgang und Eingang geschaltet sind, wobei sich die Polarität der Steuerspannung mit der des Divisors ändert.

6. Schaltung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswahl-Schaltkreis aus zwei Transistoren entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps besteht.

7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ausgangsspannungen rechteckiger Wellenform des Zeitmodulationsnetzwerkes getrennt den Kollektorelektroden der beiden Transistoren zugeführt werden und die Transistorbasiselektroden entweder beide negativ oder beide positiv vorgespannt sind, entsprechend dem Vorzeichen des Divisorsignals, und beide Transistoren einen gemeinsamen Emitteranschluß besitzen, an dem die ausgewählte Spannung rechteckiger Wellenform erscheint.

8. Schaltung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Begrenzer oder eine jede derartige Schaltung zwei Transistoren umfaßt, die einen gemeinsamen Emitteranschluß besitzen.

9. Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren des Begrenzer-Rückkopplungskreises von entgegengesetzten Leitfähigkeitstypen sind und eine variable analoge Spannung, die dem Divisor-Eingangssignal entspricht, der Kollektorelektrode des einen Transistors angelegt wird und eine ähnliche variable analoge Spannung entgegengesetzter Polarität dem Kollektor des anderen Transistors und die ausgewählte Spannung rechteckiger Wellenform beiden Transistorbasen, so daß der gemeinsame Emitteranschluß das in der Amplitude begrenzte Ausgangssignal rechteckiger Wellenform liefert.

10. Schaltung nach Anspruch 4, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren der Begrenzer-Ausgangsschaltung von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp sind, wobei dem Kollektor des einen Transistors der Begrenzer-Ausgangsschaltung eine konstante Spannung oder eine variable analoge Spannung zugeführt wird, die einem dritten variablen Eingangssignal entspricht, während dem Kollektor des anderen Transistors eine ähnliche Spannung entgegengesetzter Polarität zugeführt wird und die ausgewählte Spannung rechteckiger Wellenform beiden Transistorbasen angelegt wird, so daß an dem gemeinsamen Emitteranschluß ein amplitudenbegrenztes Ausgangssignal rechteckiger Wellenform abgenommen wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschriften Nr. 2 710 348, 2 839 244.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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