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Einrichtung zur diskreten Informationsverarbeitung mit nichtlinearen
Frequenzgebern Die Erfindung bezieht sich auf .eine Einrichtung zur diskreten Informationsverarbeitung
mit nichtlinearen Frequenzgebern, die einen Quarzgenerator; einen Ausgangszähler
und eine UND-Schaltung aufweist. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine
Einrichtung zur Linearisierung der Kennlinien von Meßfrequenzgebern, die eine nichtlineare
Abhängigkeit zwischen der Meßgröße und der Ausgangssignalfrequenz aufweisen.
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Bekannte Verfahren zur Erzeugung einer Funktionsspannung benutzen
hauptsächlich Begrenzerdioden. Ihre Hauptmängel sind geringe Genauigkeit und Schwierigkeiten
bei der Erzeugung von willkürlichen Funktionen. Die Wirkungsweise der bekannten
Einrichtungen zur Linearisierung der Kennlinien von Frequenzgebern beruht auf der
Bildung einer Differenz zwischen der Betriebsfrequenz des Gebers und einer konstanten
Bezugsfrequenz. Diese Differenz wird so gewählt, daß die Differenzfrequenzperiode
von der Meßgröße linear abhängig ist.
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Andererseits sind auch bereits Frequenzteiler beschrieben, die eine
Regelstrecke für beispielsweise einen Steuerantrieb beäufschlagen. Dabei wird der
Regler durch Impulszahlen beaufschlagt, die aus dem SOLL-IST-Wertvergleich der Geber-
bzw. Normalfrequenzen resultieren, die ihrerseits vor dem Vergleich in Impulszahlenfolgen
umgewandelt sind. Dabei werden also Frequenzteiler mit impulserzeugenden Einrichtungen
versehen, um die vom Meßgeber ermittelten Frequenzen in Binärzahlenfolgen umzusetzen
und diese Binärzahlenfolgen mit Binärzahlenfolgen eines Frequenznormals zu vergleichen.
Eine selbsttätige Erzeugung einer zeitabhängigen beliebigen Spannungsfunktion in
genauer Abhängigkeit von einer vorgegebenen Funktion bzw. die Linearisierung der
von nichtlinearen Frequenzgebern ermittelten Meßwerte ist dabei nicht möglich.
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Die Erfindung geht dagegen von einer Einrichtung aus, bei der der
Quarzgenerator ein Frequenznormal liefert, das zur Verarbeitung der von den nichtlinearen
Frequenzgebern, z. B. Saitenmeßgebern, ermittelten Frequenzen dient.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine lineare Abhängigkeit
der von den nichtlinearen Meßgebern gelieferten Frequenzen mit großer Genauigkeit
oder eine vorgegebene Spannungs-Zeit-Funktion mit großer Genauigkeit zu erzeugen.
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Die Erfindung besteht darin, daß zur Erzielung einer linearen Abhängigkeit
der vom nichtlinearen Meßgeber festgestellten beispielsweise Druckgröße am Ausgangszähler
ein Quarzgenerator über die UND-Schaltung und über einen Frequenzteiler für die
Generatorfrequenz mit einem zeitabhängigen Teiler verbunden ist, der von einem als
Decodierschaltung ausgebildeten Umschalter durch ein in den Umschalter eingegebenes
Programm derart steuerbar ist, daß durch eine Änderung des Teilerverhältnisses dieses
Teilers eine Linearisierung der Betriebskennlinie des Meßgebers gewährleistet ist.
Dabei bedient sich die erfindungsgemäße Einrichtung für andere Zwecke teilweise
an sich bekannter Elemente der Datentechnik. Auf diese Weise gelingt es, eine außerordentlich
hohe Genauigkeit bei beispielsweise einem Fehler von nur ± 0,05,1/o zu erzielen.
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Soll beispielsweise eine beliebige zeitabhängige Spannungsfunktion
produziert werden, bei der sich die Spannung nach einer beliebigen Gesetzmäßigkeit
mit der Zeit ändert, dann ist es mit Hilfe der erfindungsgemäßen Einrichtung möglich,
am Ausgang dieser Einrichtung tatsächlich die erwünschte Spannung-Zeit-Funktion
zu erreichen, ohne daß erhebliche Abweichungen von dem vorgesehenen Funktionsverlauf
auftreten. Die bisher bekannten Methoden, die unter Verwendung von Dioden eine Angleichung
der
Spannungskennlinien zu erreichen suchten, arbeiteten weitaus weniger genau als die
erfindungsgemäße Einrichtung.
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Die andere Möglichkeit der Linearisierung der Betriebscharakteristika
von Meßgebergrößen gestattet die Verarbeitung von Informationen, die die nichtlinearen
Frequenzgeber_ erzeugen. So ist beispielsweise eine Verarbeitung einer Information
mit der erfindungsgemäßen Einrichtung mit hoher Genauigkeit möglich, die beispielsweise
durch einen Saitengeber des Vibrotron-Typs festgestellt wird. Eine derartige Funktion
lautet beispielsweise
Dabei ist F die Frequenz des Saitengebers, Fo die Frequenz des Saitengebers bei
fehlendem Druck P = 0, P der gemessene Druck in Kilogramm pro Quadratzentimeter
und k ein Konstruktionskoeffizient. Aus der nichtlinearen Kurve F wird mit Hilfe
der erfindungsgemäßen Einrichtung eine lineare Charakteristik N des Zählers 6 erreicht
und diese Charakteristik in eine Spannung-Zeit-Funktion mit einem außerordentlich
geringen Meßfehler von ±0,05%. oder noch geringer umgeformt. Entsprechend können
auch entgegengesetzte Aufgaben gelöst werden. Besonders zweckmäßig ist es, daß der
Frequenzteiler für die Generatorfrequenz mit dem steuerbaren Teiler als UND-Schaltung
und einer Kette in Reihe geschalteter Trigger-Schaltungen ausgebildet ist, wobei
ein Ausgang jeder Triggerschaltung zur Gewährleistung der zeitlichen Divergenz von
Impulsen mit der Folgefrequenz 2 (n ist die Ordnungszahl der Triggerschaltung) mit
dem Eingang der entsprechenden UND-Schaltung und zur Impulssummierung mit einer
ODER-Schaltung verbunden ist, an deren Ausgang die zeitabhängige Frequenzfunktion
auftritt, die an den Ausgangszähler weitergeleitet ist.
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Zur diskreten Verarbeitung der von den nichtlinearen Frequenzgebern
eintreffenden Informationen dienen vorzugsweise -ein Frequenzgeber, eine an den
Frequenzgeberausgang angeschaltete Torschaltung, die eine Auslöseschaltung steuert,
eine am Ausgang der Torschaltung angekoppelte Schaltung zur Festlegung der Meßzeit,
eine weitere zwischen dem Frequenzteiler und dem Ausgangszähler geschaltete UND-Schaltung
sowie eine Triggerschaltung, die die weitere UND-Schaltung steuert und mit einem
Eingang mit dem Ausgang der Meßzeit-Schaltung verbunden ist. Zur Erzeugung einer
Spannung, die an die in den Umschalter eingegebene Zeitfunktion angepaßt ist, dient
vorzugsweise der an den Ausgangszähler angeschaltete Konverter des Spannungsziffernwertes.
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Der Ausgangsimpulszähler kann als Reversierzähler aufgebaut und an
den Ausgang der Decodierungs-Schalteinrichtung angeschlossen sein.
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Der Teiler der Quarzgeneratorfrequenz kann aus UND-Schaltungen und
in Reihe liegenden Trigger- i schaltengen aufgebaut sein, wobei ein Ausgang jeder
Triggerschaltung an den Eingang der nachfolgenden Triggerschaltung geschaltet wird
und der andere Ausgang mit dem Eingang der entsprechenden UND-Schaltung verbunden
ist, um das zeitliche Zusammen- t fallen der mit der Frequenz - folgenden Impulse
zu verhindern (wobei f die
Quarzgeneratorfrequenz und n die Ordnungszahl der Triggerschaltung bedeutet) sowie
an eine ODER-Schaltung zur Impulssummierung gekoppelt ist, an deren Ausgang die
Frequenzfunktion der Zeit erhalten wird.
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Außerdem ist die erfindungsgemäße Einrichtung zur diskreten Verarbeitung
der von nichtlinearen Frequenzgebern abgenommenen Information vorgesehen, und zu
diesem Zweck besitzt sie einen Frequenzgeber, eine Torschaltung, die an den Ausgang
des Frequenzgebers angeschlossen ist und durch eine Triggerschaltung gesteuert wird,
eine Schaltung zur Festlegung der Meßzeit, die am Ausgang der Torschaltung liegt,
eine zusätzliche UND-Schaltung zwischen. dem Frequenzteiler. und dem Ausgangszähler
sowie eine @Triggerschaliung, welche die zusätzliche UND-Schaltung steuert und mit
einem Eingang an den Ausgang der erwähnten Schaltung zur Festlegung der Meßzeit
geschaltet ist.
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Im folgenden wird die Erfindung an Ausführungsbeispielen und Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 das Blockschaltbild der Einrichtung zur Linearisierung
der Betriebskenniinie des Frequenzgebers, F i g. 2 ein Diagramm, das die Arbeitsweise
des gesteuerten Generators und den Ersatz einer stetigen Frequenzfunktion durch
eine diskrete Funktion erläutert, F i g. 3 das logische Schaltbild des Frequenzteilers
zur Erhaltung der erforderlichen diskreten Frequenzwerte, F i g. 4 Zeitdiagramme
zur Erläuterung der Bildung von erforderlichen diskreten Frequenzwerten, F i g.
5 Diagramme zur Analyse von Fehlern bei der Arbeit des gesteuerten Frequenzteilers,
F i g. 6 das logische Gesamtschaltbild der Einrichtung zur Linearisierüng von Betriebskennlinien
der Meßfrequenzgeber, F i g. 7 a, 7 b, 7 c, 7 d, 7 e, 7 f Zeitdiagramme zur Erläuterung
der Arbeitsweise der Linearisierungseinrichtung, F i g. 8 das logische Schaltbild
der Einrichtung zur Erzeugung der erforderlichen Funktionsspannungen mit hoher Genauigkeit.
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Im folgenden werden das.Verfahren und die Arbeitsweise der Einrichtung
gemäß der Erfindung näher erläutert.
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Das Signal F1 = f (p) gelangt von dem Frequenzgeber 1 (F i g. 1) mit
der Frequenz F1 als Funktion der Meßgröße p an den Eingang des Frequenzteilers 2,
der aus Triggerschaltungen besteht. Der Frequenzteiler 2 liefert Impulse, deren
Zeitabstände nichtlinear von der Meßgröße p abhängen. Vom Frequenzteiier 2 gelangen
die Impulse an die Steuerschaltung 3, die das Teilungsverhältnis des Frequenzteilers
4 verändert. Dieser teilt die Frequenz des Quarzgenerators 5 entsprechend dem sich
mit der Zeit so ändernden Teilungsverhältnis derart, daß das Änderungsgesetz der
Ausgangsfrequenz des Teilers 4, die zur Füllung des von der Geberfrequenz und dem
Teilungsverhältnis des Frequenzteilers 2 abhängigen Zeitintervalls benutzt wird,
eine lineare Änderung der Zahleninformation im Ausgangszähler 6 in Abhängigkeit
von der Meßgröße p bewirkt.
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Die UND-Schaltung 7 dient als Ventil für die Impulse, die mit veränderlicher
Folgefrequenz dem Zähler 6 zugeführt werden. Die öffnungs- und Sperrzeitpunkte für
das UND-Ventil 7 werden durch die Steuerschaltung 3 festgelegt:
Es
sei angenommen, daß zur Linearisierung einer Frequenzgeberkennlinie die Ausgangsfrequenz
des Teilers 4 der Gleichung F1= f () (F i g. 2) entsprechen soll.
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Die stetige Funktion f (t) mit großer Genauigkeit zu erhalten, ist
in technischer Hinsicht eine sehr schwierige Aufgabe. Deshalb wird am Ausgang des
Frequenzteilers 4 statt einer stetigen Funktion f (t) eine stufenförmige (diskrete)
Funktion F2(t) gebildet, die in bestimmten Zeitabständen az=(i = 1, 2 . . . n)
definierte
Frequenzwerte ergibt.
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Die Arbeitsweise des Frequenzteilers 4 wird an Hand der F i g. 3,
4, 5 näher erläutert.
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Zur Vereinfachung der Erläuterung ist der Frequenzteiler in F i g.
3 siebenstellig dargestellt.
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Vom Quarzgenerator 5 gelangen die Impulse an die Triggerschaltungen
8, die eine Rechenschaltung bilden. Von den Transistoren dieser Schaltung, die gegenüber
den eigentlichen Zähltransistoren liegen, werden die Impulse über die Torschaltungen
(UND-Schaltungen) 9 der ODER-Schaltung 10 zugeführt.
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Im oberen Teil der F i g. 4 sind gleichmäßige Impulsfolgen dargestellt,
die von den gegenüber den Zähltransistoren liegenden Kollektorstromkreisen der Triggerschaltungen
8 abgenommen werden. Aus F i g. 4 ist ersichtlich, daß die angegebenen Impulsfolgen
zeitlich verteilt sind.
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Folglich erscheint am Ausgang der ODER-Schaltung eine Impulsfolge,
die eine Summe der gleichmäßigen Anfangsimpulsfolgen .
welche die Torschaltungen 9 durchlaufen, darstellt. In F i g. 4 sind diese Impulsfolgen
mit gebrochenen Linien, von denen jede einem entsprechenden Code zugeordnet ist,
der einem Schaltzustand der Tor-Schaltungen 9 entspricht, dargestellt. Sind z. B.
alle Torschaltungen als Schalter geschlossen, so erscheinen am Ausgang Schwingungen
mit einer Frequenz, die dem Code 1111111 (der Zahl 127 an der Kurve a) entspricht.
Beim. Umschalten der Torschaltungen 9 erhält: man z. B. eine Frequenz (Kurve b),
die dem , Code 0101101 (der Zahl 45) entspricht usw.
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Wie aus F i g. 4 -zu ersehen ist, wird der Neigungswinkel der gebrochenen
Linie um so kleiner, je kleiner diese Zahl ist. Es ist zu bemerken, daß die Impulsfolge
am Ausgang der ODER-Schaltung 10 j ungleichmäßig ist, d. h., es entsteht ein Ungleichmäßigkeitsfehler.
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Die graphische Ermittlung des Ungleichmäßigkeitsfehlers und seine
Verteilung im-Approximationsintervall zeigt F i g. 5. Hierbei bedeutet t die Zeit,
; N die Anzahl der Impulse, die an die Triggerschaltungen gelangen.
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Im oberen Teil des Diagramms sind die Fehlerwerte dargestellt, die
in jeder Zählerstelle (1 bis 7) entstehen. Die Summe der Ungleichmäßigkeitsfehler
t erhält man durch Summierung der Fehler der angeschlossenen Zählerstellen. Im unteren
Teil des Diagramms ist als Beispiel die Änderung des Summen-Ungleichmäßigkeitsfehlers
für den Code 1010101 (die Zahl 85) durch eine Vollinie dargestellt. Mit E
dünner Linie ist die Hüllkurve von Maximalfehlern für alle möglichen »Neigungen«
bei einem siebenstelligen Frequenzteiler angegeben. Analytisch kann der Maximalfehler
mit einer Genauigkeit bis zur dritten Dezimalbruchstelle aus der folgenden Gleichung
errechnet werden
Hierbei bedeutet n die Anzahl der Triggerschaltungen im Frequenzteiler und Tp die
Periode der anfänglichen gleichmäßigen Impulsfolge.
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Für n = 7 ist d max = 1,555 - Tp, d. h., der Fehler entspricht
annähernd dem Wert T, und kann als vernachlässigbar klein betrachtet werden.
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Es sei bemerkt, daß dieser Fehler nicht integriert wird und am Ende
jedes Approximationsbereiches gleich Null ist (F i g. 5). Die Zahl der Impulse in
den Impulsfolgen mit der berechneten gleichmäßigen und mit . der ungleichmäßigen
Frequenz, die man im Approximationsbereich erhält, sind einander bis auf Bruchteile
der berechneten Frequenzperiode gleich, und dies kann bei den nächsten Approximationsberäichen
berücksichtigt werden.
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In F i g. 6 ist das logische Gesamtschaltbild der Funktionseinrichtung
zur Linearisierung der Betriebskenulinien von Frequenzgebern dargestellt.
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In F i g. 7 sind Zeitdiagramme dargestellt, welche die Arbeitsweise
der Einrichtung erläutern.
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Der Auslöseimpuls (F i g. 7 a) wird der Auslöseschaltung 11 (F i g.
6) zugeleitet, über welche alle Schaltungen in den Anfangszustand eingestellt werden.
Weiterhin öffnet dieser Impuls das Ventil (die UND-Schaltung) 12 des Frequenzgebers
1. Der erste Impuls vom Frequenzgeber 1, der durch das Ventil (UND-Schaltung) 12
läuft, ruft das Umkippen der Triggerschaltung 13 hervor und öffnet dadurch das Ventil
(die UND-Schaltung) 14. An die 17stellige Triggerschaltung 8 gelangen dabei Impulse
mit der Frequenz des Quarzgenerators 5. In die Triggerschaltung 8 ist vorher mittels
der Schalter 15 eine Zahl gespeichert worden, bei welcher der Zähler im Zeitpunkt
t = n - To »überfüllt« wird. Dabei ist n das Teilungsverhältnis des
an den Frequenzgeber angeschlossenen Frequenzteilers 2 und To die Schwingungsperiode
des Frequenzgebers bei p = 0.
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Die ersten elf Stellen der Triggerschaltungsreihe 8 sind Zählerstellen
des Frequenzteilers 4 und ergeben 2047 »Neigungen« (Frequenzen). Die von diesen
Zählerstellen eintreffenden Signale gelangen über die Torschaltungen 9 an die ODER-Schaltung
10. Von der 12., 13., 14., 15. und 16. Triggerschaltung der Triggerschaltungsreihe
8 werden die Potentiale an die Decodierungs-Schalteinrichtung 16 übertragen, welche
16 Steuerpotentiale nacheinander liefert und z. B. als Diodenmatrix ausgeführt werden
kann. Die Decodierungs-Schalteinrichtung 16 teilt die Kennlinie des Frequenzgebers
T = f (p) (F i g. 7 b) in sechzehn gleiche Intervalle. Gleichzeitig werden
innerhalb eines Intervalls vom entsprechenden Potential der Decodierungsschaltung
mittels der Torschaltungen 9 Signale mit den geforderten gleichmäßigen Frequenzen,
die in der ODER-Schaltung 10 vereinigt werden und im entsprechenden Intervall
die gewünschte Füllfrequenz ergeben, eingeschaltet.
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Jedes der sechzehn Ausgangspotentiale der Decodierungsschaltung 16
wird über die Torschaltungen 9 zwecks Frequenzwahl übertragen. Mit anderen Worten,
aus 2047 möglichen Frequenzen werden die für die Approximation notwendigen, sechzehn
errechneten
Frequenzen mit einem Fehler von weniger als 0,05 %
gewählt.
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Nach Ablauf der Zeit t = n - Tp, vom Moment der Entsperrung
des Ventils (der UND-Schaltung) 14 an, tritt am Frequenzteiler 2 ein Impuls mit
einer Information von der Meßgröße p (F i g. 7b) auf und ruft das Umkippen der Triggerschaltung
17 hervor, die ihrerseits das Ventil ? öffnet. Dem Eingang dieses Ventils werden
Impulse mit veränderlicher Folgefrequenz zugeführt, deren diskrete Änderungsgesetzmäßigkeit
von der Decodierungsschaltung 16 bestimmt wird und die Linearisierung der Geberkennlinie
gewährleistet.
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Von dem Ausgang des Ventils 7 gelangen die Impulse (F i g. 7 d) an
den Dekadenzähler 6 (F i g. 7 e), der aus vier Dekaden besteht. Wenn es erforderlich
ist, kann im Dekadenzähler eine Vorspeicherung über die Torschaltungen 18 vorgenommen
werden, wobei die letzteren die Addition oder Subtraktion einer Zahl ermöglichen,
die dem festen Wert der Meßgröße entspricht (Nulleinstellung).
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Von dem Dekadenzähler 6 wird die Information (F i g. 7 f) an die Zifferndruckeinrichtung
19 übertragen.
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Im Zeitpunkt t = n - To wird die erfindungsgemäße Einrichtung
in den Anfangszustand eingestellt. Im weiteren wiederholen sich die Vorgänge automatisch.
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Das beschriebene Verfahren ermöglicht die gewünschte Impulszahlfunktion
zu erhalten und nach deren linearer Umsetzung in eine Spannung mittels eines Digital-Analog-Umsetzers
eine beliebige Funktionsspannung mit großer Genauigkeit zu erzeugen.
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In F i g. 8 ist das logische Schaltbild einer Einrichtung dargestellt;
die es gestattet, die geforderte Funktionsspannung mit großer Genauigkeit zu erhalten.
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Der Auslöseimpuls stellt die Einrichtung über die Auslöseschaltung
11 in den Anfangszustand ein. Gleichzeitig kippt die Triggerschaltung 13 um und
öffnet das Ventil (die UND-Schaltung) 14. Vom Quarzgenerator 5 gelangen danach die
Impulse an die Reihe der Triggerschaltungen B. Die elf Anfangsstellen der Reihe
8 dienen zur Erzeugung der anfänglichen Impulsfolgen der Art
Die Triggerschaltungen 12 bis 15 steuern den Betrieb der Decodierungsschaltung 16,
die nacheinander 16 Steuerpotentiale liefert, von denen jedes über die entsprechende
Torschaltung 9 für die anfänglichen gleichmäßigen Impulsfolgen den Weg zur ODER-Schaltung
10 freigibt. Gleichzeitig -bestimmt jedes Potential an der Decodierungsschaltung
16 die Länge des Bereiches für die lineare Approximation der gewünschten Funktion.
Die am Ausgang der ODER-Schaltung 10 auftretende Impulsfrequenz bestimmt
den Ableitungswert (die »Neigung«) der aufzubauenden Funktion. Das Vorzeichen der
Ableitung der Funktion hängt in jedem der Approximationsbereiche davon ab, ob der
im Reversierbetrieb funktionierende Zähler 6 für Subtraktion oder Addition eingeschaltet
ist.
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Die Steuerung des Reversierbetriebes des Zählers 6 in jedem Bereich
der linearen Approximation sowie die Steuerung der Funktionsableitungsgröße im betreffenden
Bereich wird durch jedes der 16 Steuerpotentiale der Decodierungsschaltung 16, die
gleichzeitig als Schalteinrichtung wirkt, ermöglicht.
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Somit entsteht im Zähler 6 eine Impulszahlfunktion, die der geforderten
Spannungsfunktion ähnlich ist.
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Die Stellenstufen des Zählers 6 steuern den Betrieb eines gewöhnlichen
Digital-Analog-Umsetzers 20, in welchem die Impulszahlfunktion in eine Funktionsspannung
umgewandelt wird, und an dessen Ausgang die gewünschte Funktionsspannung auftritt.
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Je nach der Krümmung der zu erzeugenden Funktion und der geforderten
Genauigkeit, kann die Anzahl der linearen Approximationsbereiche von 16 auf 32,
64 usw. vergrößert werden. Dies erfolgt durch Anwendung einer komplizierten Decodierungsschaltung
16 sowie durch Vergrößerung der Anzahl der Stellenstufen im Zähler, der aus den
ersten Stellen der Triggerschaltungen 8 gebildet wird. Mittels der Torschaltungen
18 kann man die Anfangsbedingungen vorgeben.