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Die Erfindung betrifft einen elektronischen Digital-Analogumsetzer
mit exponentiellem Zusammenhang zwischen digitalem Eingangs- und analogem Ausgangswert.
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Bei Steuerungen für Werkzeugmaschinen mit kontinuierlich arbeitenden
Vorschubantrieben (z. B. Gleichstromnebenschlußmotoren) müssen die auf einem Lochstreifen
digital programmierten Größen für den Vorschub der einzelnen Antriebe in entsprechende
analoge Werte umgesetzt werden. Dies bereitet keine Schwierigkeiten, falls die Vorschubwerte
direkt programmiert sind, z. B. der Zahl 20 auf dem Lochstreifen die Vorschubgeschwindigkeit
20 mm/sec und der Zahl 30 die Vorschubgeschwindigkeit 30 mm/sec zugeordnet ist.
Hier brauchen nur den einzelnen Ziffern der betreffenden Zahl entsprechende Ströme
-oder Spannungen zusammengefaßt und dem Regler des Antriebs vorgegeben werden.
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F i g. 1 zeigt hierzu die Prinzipschaltung eines Digital-Analogumsetzers
für den Fall einer zweistelligen nach A i k e n codierten Zahl.
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An ein gemeinsames Potential -I- U sind über vom Lochstreifen her
steuerbare Schalter 5 (z. B. Transistoren) gestufte Widerstände wahlweise anschließbar.
Die der Zehnerdekade 3 zugeordneten Widerstände sind dabei in der Reihenfolge von
oben nach unten im Verhältnis 4 : 2: 1: 2 (z. B. 40, 20, 10, 20 Kiloohm) gestuft.
Ebenso sind die Widerstände der Einerdekade 4 abgestuft; sie sind allerdings um
eine Zehnerpotenz jeweils größer (also z.B. 400, 200, 100, 200 Kiloohm). -- -Je
nach der gewünschten Zahl werden verschiedene der Schalter 5 geschlossen und die
»gewichteten« Endströme am Ausgang der Dekaden 3 und 4 einem Operationsverstärker
1 mit fester Rückführung 2 zugeführt. Die am Ausgang dieses Operationsverstärkers
1 auftretende Spannung U" entspricht der gewünschten Analogspannung für den Vorschubantrieb.
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Häufig besteht aber die Forderung, die Vorschubgrößen nicht direkt,
sondern nach bestimmten Richtlinien, z. B. nach VDI 3252, codiert zu programmieren.
Hierbei bilden die auf dem Lochstreifen vorliegenden Zahlen zwar eine arithmetische
Reihe, also z. B. 40, 42, 44, 46 ... 80, 82, 84 ... usf., die zugehörigen
verlangten analogen Vorschubgrößen jedoch eine geometrische Reihe: z. B. 12,5, 16,
20... 1000, 1250, 1600 ....
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Der erforderliche Zusammenhang zwischen den Eingangsgrößen und den
Ausgangsgrößen des Digital-Analog-Wandlers ist also nicht mehr linear; Tabelle 1
zeigt diese Zusammenhänge: In der ersten Spalte ist die Nummer (Nr:)- des Vorschubs
angegeben, wie er auf dem Lochstreifen programmiert ist, in Spalte 2 der gewünschte
zugehörige Vorschub in mm/min und in Spalte 3 die am Reglereingang des Vorschubantriebes
verlangte zugehörige Spannung Ua.
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Die weiteren Spalten 4 und 5 der vorliegenden Tabelle werden späterhin
erläutert.
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Ein nichtlinearer (exponentieller) Zusammenhang zwischen Eingangs-
und Ausgangsgröße bei einem Verstärker läßt sich beispielsweise dadurch erreichen,
daß in. die Rückführung des Verstärkers nichtlineare Elemente, z. B. Dioden-Widerstandsnetzwerke,
eingesetzt werden. Bei einer genauen Durchrechnung dieser Lösung für den vorliegenden
Fall zeigt es sich jedoch, daß die verlangten Werte sehr ungünstig liegen; so bedingt
eine Änderung der Eingangsgrößen von 1 : 2 eine Änderung der Ausgangsgrößen von
1:100 (vgl. Tabelle 1). Die hierfür erforderliche Kennlinie läßt sich praktisch
infolge der Streuungen der einzelnen Elemente und ihrer Temperaturabhängigkeit kaum
verwirklichen.
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Bisher hat man sich derart beholfen, daß die tetradenverschlüsselte
zweistellige Vorschubzahl (Nr.) in den 1/100-Code (das heißt: 1 aus 100) umgerechnet
wird.
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F i g. 2 zeigt diese Lösung.
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Für die Dekade 101 ist ein 1/10-Decoder 7 erforderlich, der an seinem
Ausgang den Ziffern von 0 bis 9 entsprechende Ströme abgeben kann. Dem Decoder 7
sind noch zehn weitere Decoder 6 für die Dekade 100 zugeordnet. Durch Anwahl eines
bestimmten Ausganges (Widerstandes) im Decoder 7 und durch Auswahl eines bestimmten
Ausganges (Widerstandes) in dem dann zugeordneten Decoder 6 erhält man einen Summenstrom,
dessen Wert dem der betreffenden Zahl zugeordneten Vorschubwert entspricht.
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Bei einem vollständigen Ausbau dieser Schaltung benötigt man elf 1/10-Decoder
und hundert Widerstände. Auch wenn nicht alle Werte gebraucht werden, also wenn
z. B. nur fünf Decoder verwendet werden, ist der Aufwand noch verhältnismäßig groß.
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Es ist weiterhin bereits eine Digital=Analogumsetzvorrichtung, insbesondere
zur Decodierung in Impulscodemodulationsanlagen, bekannt (schweizerisches Patent
430793),-bei der das digitale Eingangssignal aus zwei- Gruppen besteht. Die eine
Gruppe enthält nur die höchsten Ziffern einer zu übertragenden Zahl- und die zweite
Gruppe die Lage der am wenigsten bedeutenden Ziffer der Zahl. Das Eingangssignal
ist also gewissermaßen in zwei Faktoren zerlegt, deren Produkt das benötigte Ausgangssignal
ergibt. -Zur Umsetzung dieser digitalen Werte in analoge Werte dient ein Differenzverstärker,
an dessen einen Eingang »gewichtete« Stromquellen entsprechend den höchsten Ziffern
der zu übertragenden Zahl anschließbar sind. Zur Berücksichtigung des Stellenwertes
wird durch eine Dechiffriermatrix aus der zweiten Gruppe ein Signal gebildet, durch
das ein passender Widerstand zwischen den erwähnten Eingang des Differenzverstärkers
und den anderen geerdeten Eingang geschaltet wird. Der von den gewichteten Stromquellen
abgegebene Strom wird also entsprechend dem Stellenwert des Eingangssignals verringert.
Würde man ein derartiges System zur Steuerung des Vorschubes benutzen, so müßte
neben der Vorschubnummer gleichzeitig auch noch ein Faktor mit auf dem Lochstreifen
programmiert werden, mit dem dann die Vorschubnummer im Digital-Analogumsetzer zu
multiplizieren wäre. Dieser zusätzliche mitprogrammierte Faktor bedeutet aber einen
erheblichen Mehraufwand.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auch aus digitalen Eingangswerten,
denen kein besonderer Faktor von vornherein zugeordnet ist, Analog-Signale zu bilden,
die hinsichtlich ihrer Staffelung einen exponentiellen Zusammenhang mit den Eingangssignalen
aufweisen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß abhängig vom Eingangswert
zwei Faktoren einstellbar sind, deren in einer aus der Analog-Rechentechnik bekannten
Schaltung ermitteltes Produkt als Ausgangswert dient. Mit
anderen
Worten ausgedrückt: es wird also nicht die Eingangsziffer in zwei Faktoren zerlegt,
sondern der Ausgangswert aus zwei Faktoren gebildet, die entsprechend dem Eingangswert
jeweils für sich einstellbar sind. Eine besonders einfache Schaltung ergibt sich
dann, wenn die Produktaufspaltung so gewählt ist, daß sich innerhalb einer Dekade
jeweils nur eine Größe ändert. Die Produktbildung kann dann so vorgenommen werden,
daß die eine Größe am Eingang eines Verstärkers liegt und abhängig von der zweiten
die Rückführunig dieses oder eines nachgeschalteten Verstärkers änderbar ist. Zur
weiteren Schaltungsvereinfachung können im Eingang und in der Rückführung des Verstärkers
auch nach einem Code gestufte schaltbare Widerstände angeordnet werden.
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Die Erfindung sei an Hand der Tabelle 1 und der F i g. 3 und 4 näher
erläutert.
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Die Spalten 4 und 5 der Tabelle 1 zeigen die Aufspaltung der dem Vorschub
zugeordneten Vorschubzahl in zwei Faktoren. Wie ersichtlich, wird die Aufteilung
so vorgenommen, daß bei einer Änderung der Eingangsgröße in der Dekade 100 nur die
Zahl der Spalte 4, bei einer Änderung der Eingangsgröße in der Dekade 101 nur die
Zahl der Spalte 5 geändert wird. Hierdurch ist eine Schaltung nach F i g. 3 möglich,
bei der nur zwei 1/10-Decoder nötig sind. Der eine Decoder 8 liefert dem ersten
Faktor entsprechende Ströme an den Operationsverstärker 1, während der zweite Faktor
durch in die Rückführung des Operationsverstärkers 1 einschaltbare Widerstände eines
Decoders 9 gebildet wird. Die Ausgangsspannung U" des Operationsverstärkers 1 entspricht
dann ziemlich genau dem Produkt aus dem jeweils angewählten Widerstand im Decoder
8 und dem Leitwert des im Decoder 9 angewählten Widerstandes.
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Bei geringerer Anforderung an die Genauigkeit kann an Stelle des 1/10-Decoders
der Eingang des Operationsverstärkers 1 auch mit linear nach einem Code vgewichteten«
Widerständen beschaltet werden, die nach einem Code durch Befehle des Lochstreifens
zusammengeschaltet werden. Die maximale Abweichung von der Exponentialfunktion,
die an und für sich verlangt ist, kann dann unter Umständen bis 7,5 % betragen.
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Eine höhere Genauigkeit bei geringerem Mehraufwand liefert eine Schaltung
nach F i g. 4. Hier wird der erforderliche Eingangsstrom des Operationsverstärkers
1 durch vier Spannungsteiler 10 erzeugt, die durch geeignete Dimensionierung
ihrer Widerstände so entkoppelt werden können, daß die maximale Abweichung von der
Exponentialfunktion nur 1 % beträgt.