DE1247708B - Elektrischer Vektorproduktgenerator - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

G06g

Deutsche Kl.: 42 m4 - 7/16

Nummer: 1247 708

Aktenzeichen: A 47423IX c/42 m4

Anmeldetag: 24. Oktober 1964

Auslegetag: 17. August 1967

Die Erfindung bezieht sich auf die Schaffung eines elektrischen Vektorproduktgenerators zur Erzeugung elektrischer Vektorprodukte im dreidimensionalen Raum. Ein solcher Generator kann als Analogiegerät für irgendein physikalisches Phänomen oder einen mathematischen Ausdruck verwendet werden, der auf dem Vektorprodukt irgendwelcher Vektoren im dreidimensionalen Raum basiert.

Der Begriff eines allgemeinen Vektorproduktgenerators schließt ein, daß zwei Eingangsvektoren, beispielsweise P und Q, in jeder beliebigen Richtung angenommen werden können und daß das entsprechende Vektorprodukt R = QPf\Q) oder eine vollständige Information bezüglich der Koordinaten von R erhalten werden kann. Dieses Ergebnis könnte natürlich auch durch rein algebraische Vorgänge auf der Basis der bekannten Ausdrücke für die Dreikoordinatenkomponenten von R in Formelwerten der Dreikoordinatenkomponenten P und Q erzielt werden, nämlich

Rx = PyQz-PzQy, Ry — PzQx — PxQz, Rz — PxQy ■—■ PyQx·

Jedoch würde die elektrische Berechnung von R_x, R_y und R_z in entsprechender Weise die Verwendung einer Rechenschaltungsanordnung notwendig machen, die sechs separate Multiplizierer und drei Subtrahierer aufweist. Ein Blockschaltbild einer solchen Recheneinrichtung ist in Fig. 1 der Zeichnung dargestellt. Es wird angenommen, daß dieses Blockschaltbild selbstredend ist, und es ist offensichtlich, daß für einen zufriedenstellenden Betrieb eine genaue Abstimmung der sechs Multiplizierer notwendig ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen elektrischen Vektorproduktgenerator zu schaffen, der eine solche Berechnung bzw. Auswertung bei Verwendung nur eines einzigen Multiplizierungselementes ausführen kann.

Die Erfindung macht sich den für Einfachmultiplikationen bereits verwendeten Halleffekt zunutze, der durch ein geeignetes halbleitendes Element ausgeübt wird, d. h. den Effekt, durch welchen, wenn ein halbleitendes Element Strom führt und einem Magnetfeld quer zur Stromrichtung ausgesetzt wird, eine Spannung zwischen Punkten am Element erzeugt wird, die entlang einer Linie quer sowohl zum Strom als auch zum Feld liegen, wobei die Höhe der Spannung im wesentlichen proportional den Produkten der Komponenten des Feldes und des Stromes im rechten Winkel zueinander und zu dieser Linie ist.

Ein elektrischer Vektorproduktgenerator zur Erzeugung der Dreikoordinatenkomponenten des Vektor-Elektrischer Vektorproduktgenerator

Anmelder:

Associated Electrical Industries Limited,
London

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Schubert, Patentanwalt,
Siegen, Eiserner Str. 227

Als Erfinder benannt:

Wolja Saraga, Orpington, Kent (Großbritanien) Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 25. Oktober 1963 (42 229)

Produktes von zwei Vektoren in drei Koordinatenrichtungen im dreidimensionalen Raum weist erfindungsgemäß einen Halleffektkörper auf, der entlang drei zueinander querverlaufenden Achsen symmetrisch ist und drei Paare von Eingang-Ausgang-Elektroden hat, die jeweils entlang diesen Achsen angeordnet sind, um diesem Körper elektrische Dreikoordinaten-Stromkomponenten zuzuführen, welche die Dreikoordinatenkomponenten des einen der beiden Vektoren darstellen, zusammen mit einer magnetischen Vorrichtung, welche diesen Körper magnetischen Dreikoordinatenkomponenten aussetzt, die die Dreikoordinatenkomponenten des anderen der beiden Vektoren darstellen, wobei der Halleffektkörper auf Grund dieses Effektes in Abhängigkeit vom elektrischen Stromdichtevektor, der in ihm durch die drei elektrischen Stromkomponenten erzeugt wird, und dem Magnetfeldstärkevektor, welcher durch die drei magnetischen Komponenten erzeugt wird, einen elektrischen Feldstärkevektor erzeugt, von welchem an den drei Eingang-Ausgang-Elektrodenpaaren des Halleffektkörpers jeweilige Hall-Ausgangsspannungen abgeleitet werden können, welche die Dreikoordinatenkomponenten des Vektorproduktes dieser beiden Vektoren darstellen.

Die Erfindung wird nunmehr an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden übrigen F i g. 2 und 3

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der Zeichnung ausführlicher beschrieben, und zwar zeigt

F i g. 2 schematisch einen elektrischen Vektorproduktgenerator gemäß der Erfindung mit einem würfelförmigen Halleffektkörper, während

F i g. 3 schematisch eine Analog-Vektorrecheneinrichtung mit einem elektrischen Vektorproduktgenerator gemäß der Erfindung wiedergibt.

Der in F i g. 2 dargestellte Vektorproduktgenerator weist einen kubischen Halleffektkörper ff mit einer Eingang-Ausgang-Elektrode e an jeder seiner sechs Flächen auf, wobei die auf diese Weise gebildeten sechs Elektroden e drei Paare bilden, von denen jedes aus 2wei Elektroden auf gegenüberliegenden Flächen des Kubus zusammengesetzt ist. Drei Spulen M_x, M_y und M_z bilden magnetische Vorrichtungen zum Erzeugen von magnetischen Dreikoordinatenkomponenten, denen der Halleffektkörper ff ausgesetzt wird. Die Spulen M_x, M_y und M_z sind mit den Paaren von Elektroden e an den Flächen des Halleffektkörpers ff entlang drei zueinander senkrecht durch den Halleffektkörper if verlaufenden Achsen fluchtend dargestellt, wobei die drei magnetischen Komponenten jeweils entlang diesen Achsen erzeugt werden. Jedoch ist das Fluchten zwischen den Spulen M_x, M_y und M_z und den Elektrodenpaaren e für das Funktionieren des Generators nicht wesentlich.

Grundsätzlich kann der Halleffektkörper ff auf Grund des HallefFektes eine Hall-Ausgangsspannung V aus einem elektrischen Feldstärkevektor E liefern, der darin erzeugt wird und proportional ist dem Vektorprodukt aus einem Magnetfeldstärkevektor B, der bei Magnetisierung der magnetischen Vorrichtung erzeugt wird, und einem elektrischen Strömdichtevektor I, der den Halleffektkörper ff quert und in diesem durch Anlegen eines Eingangsstromes I an die Elektroden e erzeugt wird. Der Vektorproduktgenerator als Ganzes kann mit beliebigen Eingangsvektoren B und / beaufschlagt werden, und ihm können Hall-Ausgangsspannungen entnommen werden, die vom elektrischen Feldstärkevektor E abgeleitet werden und eine Information über diesen liefern. Um dies zu erreichen, werden die SpulenAf_a;, M_y und M_z entsprechend magnetisiert, so daß magnetische Komponenten B_x, B_y und B_z zur Erzeugung des Magnetfeldstärkevektors B in den Richtungen der drei Koordinatenachsen angesetzt werden, und elektrische Strompomponenten I_x, I_y und I_z zur Erzeugung des elektrischen Stromdichtevektors I dem Halleffektkörper ff in diesen gleichen Richtungen durch Anlegen desselben an die Eingang-Ausgang-Elektrodenpaare e zugeführt werden. Als Ergebnis werden infolge des HallefFektes Dreikoordinaten-Hall-Ausgangsspannungskomponenten V_x, V_y und V_z, die den Komponenten des resultierenden elektrischen Feldstärkevektors E entsprechen, jeweils an den drei Eingang-Ausgang-Elektrodenpaaren e erscheinen. Da die elektrischen Stromkomponenten I_x, I_y und I_z ebenfalls an diesen Elektrodenpaaren e vorhanden sind, ist es notwendig, daß die elektrischen Stromkomponenten und magnetischen Komponenten einen elektrischen Feldstärkevektor E mit solchen Charakteristiken erzeugen, daß die Hall-Ausgangsspannungskomponenten, die davon abgeleitet werden, leicht von den elektrischen Stromkomponenten getrennt werden können. Dies kann im Prinzip auf der Basis des Verlaufs dieser Komponenten, als Funktionen der Zeit betrachtet, oder auf der Basis der Frequenz der. Komponenten

erfolgen. Mit Bezug auf die letztere Methode soll beispielsweise angenommen werden, daß die magnetischen Komponenten B_x, B_y und B_z von der Form cos u>_xt und die elektrischen Stromkomponenten I_x, I_y und I_z von der Form cos co₂i ^sm<ä. Dann sind die Hall-Ausgangsspannungskomponenten V_x, V_y und V_z von der Form

cos CD₁ 1 cos co₂i = ¹I₂ [cos ((W₁ + co₂) / + cos (Co₁ — Co₂) i].

Eine Unterscheidung zwischen diesen gewünschten Hall-Ausgangsspannungskomponenten dieser Form und den unerwünschten elektrischen Stromkomponenten von der Form cos co₂/ ist erforderlich und kann mittels Siebkreisen erzielt werden. Von besonderem Interesse sind die folgenden Fälle:

1. Co₁Sxw₂:

In diesem Fall ist sowohl (co₂ + Co₁) a> co₂ als auch — (co₂ — (W₁) ;s> co₂. Daher können die ' Hall-Ausgangsspannungskomponenten leicht von den elektrischen Stromkomponenten der Form cos ω₂ί mittels eines einfachen Filters abgetrennt werden.

2. I CO₁ — CO₂ 1 <i co₂:

In diesem Fall können die Hall-Ausgangskomponenten der Form cos (co_x — co^t wiederum von den elektrischen Stromkomponenten mittels eines einfachen Filters getrennt werden. In diesem Fall folgt, daß Co₁ -|- Co₂ annähernd gleich 2 co₂ ist. Daher können die Hall-Ausgangsspannungskomponenten der Form cos (Co₁ + Co₂)/ auch ausgewählt werden, d. h. von den elektrischen Stromkomponenten mittels eines relativ einfachen Filters getrennt werden.

Drei spezielle Fälle sind von Interesse:

a) Co₂ = O; d. h., die elektrischen Stromkomponenten sind Gleichstromsignale. Dies ist ein spezieller Fall von 1, bei welchem die Hall-Ausgangsspannungskomponenten die Winkelfrequenz Co₁ haben und leicht von den elektrischen Gleichstromkomponenten getrennt werden können.

b) und c) Co₁ = a>₂; dies ist ein besonderer Fall von 2: In diesem Fall können entweder Gleichstrom-Hall-Ausgangsspannungskomponenten oder Doppelfrequenz - Hall - Ausgangsspannungskomponenten erhalten werden.

Wenn somit beispielsweise die spezifizierten Koordinatenkomponenten der beiden Eingangsvektoren P und Q

P_x = 2, P_y = 3, P_z = -4,

Qx = 5, Q_y = -6, Q_z = 7

sind, so daß die Koordinatenkomponenten des Vektorproduktes R bestimmt werden sollten als

Rx = PxQz-PzQy = (3·7)-(-4·-6)= -3, R_v = PzQx - PxQz = (-4 · 5) - (2 · 7) = -34, Rz = PxQ_y -PyQx = (2 · -6) - (3 · 5) = -27,

so wird es notwendig sein, entsprechend den spezifizierten P- und ß-Werten elektrische Stromkomponenten und magnetische Komponenten der Form

Ix = 2 cos CO₁*, I_v= 3 cos ω₂ί, I_z = —4 cos Co₁?, B_x = 5 cos (o₂t, B_y = — 6 cos co₂t, B_z= 7 cos ω₂ί

anzuwenden, worin ω₁ und co₂ wie oben gewählt werden.

Claims (5)

Im Prinzip könnten die geforderten Hall-Ausgangsspannungskomponenten auch durch Subtrahieren der elektrischen Eingangsstromkomponenten vom Gesamtausgangsstrom erzielt werden, wie er von den Hall-Ausgangsspannungskomponenten abgeleitet wird, oder dadurch, daß man sie gegen diese ausbalanciert bzw. ausgleicht. In der Praxis scheint jedoch eine Trennung auf einer Frequenzbasis zweckmäßiger zu sein. Die Trennung der Hall-Ausgangsspannungskomponenten von elektrischen Stromkomponenten mittels Frequenz- oder Formauswahl mag bei Vektorproduktgeneratoren für spezielle Zwecke nicht notwendig sein, bei welchen eine Hall-Ausgangsspannungskomponente in der Richtung einer möglichen elektrischen Stromkomponente niemals erforderlich ist. Wenn beispielsweise in dem oben gegebenen Beispiel Pz — 0 und Q2 = 0 ist, dann sind Rx = 0 und Ry — 0, so daß das Vektorprodukt R nur eine Komponente Rz hat und somit nur die Hall-Ausgangsspannungskomponente Vz erzeugt würde. In diesem Fall ist es daher für die Eingangssignale nicht notwendig, Trägersignale coscOii und cos α>2ί in der AmpHtude zu modulieren, und diese Eingangssignale können unmittelbar für die magnetischen und elektrischen Stromkoordinatenkomponenten verwendet werden. Diese Komponenten würden also in Übereinstimmung mit den spezifizierten P- und Q-Werten des vorangehenden Beispiels sein: Ix = 2, Iy = 3 und Bx = 5, By = —6. 30 Bei der in Fig. 3 dargestellten Analog-Vektor-Recheneinrichtung stellt das RechteckiT den Halleffektkörper des Vektorproduktgenerators gemäß der Erfindung dar, der den magnetischen Dreikoordinatenkomponenten Bx, By und Bz ausgesetzt ist, wie sie durch die magnetische Vorrichtung M des Generators in Ansprecherwiderung auf geeignete Magnetisierungsströme IBx, IBy und IBz erzeugt werden. Die drei elektrischen Stromkomponenten Ix, Iy und Iz werden dem Halleffektkörper zugeführt. Eine Einstellung der Phase jeder dieser sechs Komponenten ist, falls erforderlich, mittels eines individuellen Phaseneinsteilkreises PA mögüch, und eine Einstellung der Höhe ist mittels eines individuellen Höheneinstellkreises LA möglich. In Ansprecherwiderung auf diese Eingangskomponenten erzeugt der Vektorproduktgenerator H die Dreikoordinaten-Hall-Ausgangsspannungskomponenten Vx, Vy und Vz, wie bereits beschrieben. Individuelle Filter F können für die Trennung der Komponenten Vx, Vy und Vz von den elektrischen Strom-(Eingangs-)Komponenten Ix, Iy und Iz vorgesehen werden, wenn, wie vorerwähnt, diese Eingangs- und Ausgangskomponenten zusammen an den gemeinsamen Eingang-Ausgang-Elektroden des Halleffektkörpers des Vektorproduktgenerators erscheinen. Die Werte der Ausgangsspannungskomponenten Vx, Vy und Vz können auf jede gewünschte Weise angezeigt bzw. sichtbar gemacht werden, z. B. an Voltmetern, auf den Büdschirmen von Kathodenstrahlrohr-Oszilloskopen oder mittels der Zeigereinstellungen geeigneter Vorrichtungen für das Ausgleichen dieser Spannungskomponenten durch eine Niultechnik. Das Rechteck D stellt die Mittel dazu dar. Die Filter .Fund die Höheneinsteilkreise LA können jede in der einschlägigen Technik bekannte Form haben. Die individuellen Phaseneinstellkreise PA können von ähnlicher Form sein wie die Phasenverschieber, welche in dem Artikel »An Aerial Analogue Computer«, Journal of Brit. I. R. E., Bd. 13, Nr. 4, April 1953 (W. Saraga et al), beschrieben sind. Patentansprüche:

1. Elektrischer Vektorproduktgenerator zur Erzeugung der Dreikoordinatenkomponenten des Vektorprodukts von zwei Vektoren in drei Koordinatenrichtungen im dreidimensionalen Raum, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator einen Halleffektkörper aufweist, der entlang drei zueinander querverlaufenden Achsen symmetrisch ist und drei Paare von Eingang-Ausgang-Elektroden hat, die jeweils entlang diesen Achsen angeordnet sind, um diesem Körper elektrische Dreikoordinaten- Stromkomponenten zuzuführen, welche die Dreikoordinatenkomponenten des einen der beiden Vektoren darstellen, zusammen mit einer magnetischen Vorrichtung, welche diesen Körper magnetischen Dreikoordinatenkomponenten aussetzt, welche die Dreikoordinatenkomponenten des anderen der beiden Vektoren darstellen, daß der HallefFektkörper auf Grund dieses Effektes in Abhängigkeit von dem elektrischen Stromdichtevektor, der darin durch die drei elektrischen Stromkomponenten erzeugt wird, und von dem magnetischen Feldstärkevektor, der durch die drei magnetischen Komponenten erzeugt wird, einen elektrischen Feldstärkevektor erzeugt, von welchem an den drei Eingang-Ausgang-Elektrodenpaaren des Halleffektkörpers jeweilige Hall-Ausgangsspannungen abzuleiten sind, welche die Dreikoordinatenkomponenten des Vektorproduktes der beiden Vektoren darstellen.

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halleffektkörper kubisch bzw. würfelförmig ausgebildet ist und eine Eingang-Ausgang-Elektrode an jeder seiner sechs Flächen aufweist und daß die auf diese Weise vorgesehenen . sechs Elektroden die drei Elektrodenpaare bilden, von denen jedes aus zwei der Elektroden an gegenüberliegenden Flächen des Würfels zusammengesetzt ist.

3. Generator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er mit Vorrichtungen für das Einstellen der Phase der elektrischen Koordinatenstrom- und magnetischen Komponenten vor ihrer Zuführung zum Generator kombiniert ist.

4. Generator nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er mit Vorrichtungen zum Einstellen der Höhe jeder der elektrischen Koordinatenstrom- und magnetischen Komponenten vor deren Zuführung zum Generator kombiniert ist.

5. Generator nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er mit Filtervorrichtungen kombiniert ist, die die elektrischen Koordinatenstromkomponenten, welche den Eingang-Ausgang-Elektrodenpaaren des HallefFektkörpers zugeführt werden, von den an diesen erzeugten Hall-Ausgangsspannungen trennen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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