DE1424785C - Electrical analog circuit for the implementation of a non-similar electrical resistance - Google Patents

Electrical analog circuit for the implementation of a non-similar electrical resistance

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Auf Nichtnennung Antrag
Original Assignee
Societa Nazionale Metanodotti S p A , Mailand (Italien)
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Description

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Analogschaltung zur Verwirklichung eines nichtlinearen elektrischen Widerstandes zu schaffen, bei welchem zwischen den an seinen Enden angelegten veränderlichen Spannungen VA und V8 und dem zwischen seinen Enden fließenden Strom / eine Abhängigkeit besteht, die sich durch folgende Gleichung ausdrücken läßt:The object of the invention is to provide an electrical analog circuit for realizing a non-linear electrical resistance, in which between the variable voltages V A and V 8 applied to its ends and the current flowing between its ends there is a dependency which is given by the following equation expresses:

Va - VR = Va - V R =

2 Vn ■ K ■ Ia 2 V n ■ K ■ I a

Kla; (1) Kl a ; (1)

1010

hierbei ist Vn, der arithmetische Mittelwert der veränderlichen Spannungen; Vn, K und α sind Konstanten. where V n is the arithmetic mean of the variable voltages; V n , K and α are constants.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Schaltung, die gekennzeichnet ist durch die Reihenschaltung eines konstanten linearen Widerstandes R mit einer Spannungsquelle E, welche gebildet ist durch einen Operationsverstärker A2 hohen Verstärkungsgrades mit nachgeschaltetem Kathodenfolger T4, T5, wobei dem Eingang dieses Operationsverstärkers A2 über einen invertierenden Operationsverstärker A1 die Spannung- VA, über einen weiteren Kathodenfolger T3 die am linearen Widerstand R abfallende Spannung VA V und über einen eingangsseitig mit den beiden Spannungen VA und VB beaufschlagten und nach der Formel Die Analogschaltung nach F i g. 1 besteht aus einem linearen Widerstand R, dessen Widerstandswert ψ ist und der in Reihe geschaltet ist mit einer Spannungsquelle E, dargestellt durch die Klemmen D und F. An der Eingangsklemme A dieser Reihenschaltung wird die eine veränderliche Spannung VA und an der anderen Klemme B die andere veränderliche Spannung V8 angelegt. Diese Reihenschaltung soll die oben angegebene Gleichung (1) erfüllen. Die nicht an Masse liegende Spannungsquelle E muß zur Erzielung obiger Beziehung nach Gleichung (1) eine Spannung nach folgender Gleichung liefern:This object is achieved according to the invention by a circuit which is characterized by the series connection of a constant linear resistor R with a voltage source E, which is formed by an operational amplifier A 2 with a high gain with a downstream cathode follower T 4 , T 5 , the input of this operational amplifier A 2 via an inverting operational amplifier A 1 the voltage V A , via a further cathode follower T 3 the voltage V A - V dropping across the linear resistor R and via an input side with the two voltages V A and V B and according to the formula The analog circuit according to FIG. 1 consists of a linear resistor R, the resistance value of which is ψ and which is connected in series with a voltage source E, represented by the terminals D and F. The one variable voltage V A is applied to the input terminal A of this series connection and V A is applied to the other terminal B. the other variable voltage V 8 is applied. This series connection is intended to satisfy equation (1) given above. The voltage source E , which is not connected to ground, must supply a voltage according to the following equation to achieve the above relationship according to equation (1):

E (K41 V8) = V (K4, V8) - (VA - VB), (2) E (K 41 V 8 ) = V (K 4 , V 8 ) - (V A - V B ) , (2)

wobei V (VA, VB) der Spannungsabfall am Widerstand R ist.
Es ergibt sich also:
where V (V A , V B ) is the voltage drop across resistor R.
So it results:

V'(VA,Vs) = ^-; V '(V A , Vs) = ^ -;

den Ausdruck/ aus Gleichung (1) eingesetzt ergibt:inserting the expression / from equation (1) gives:

Vl _-■ Vl _- ■

+Vb)+ V b )

3030th + + Vb) ■ (Va -Vb) ■ (Va -

(2(2

(2KVn)m (2KV n) m

■· (4)■ · (4)

arbeitenden Funktionsgenerator G diese Ausgangsspannung K1' zugeführt wird, so daß der Spannungsabfall an dem linearen Widerstand R stets gleich der Ausgangsspannung dieses Funktionsgenerators G ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen für die Ausbildung des Funktionsgenerators ergeben sich aus den Unteransprüchen. working function generator G this output voltage K 1 'is supplied so that the voltage drop across the linear resistor R is always equal to the output voltage of this function generator G. Advantageous refinements for the design of the function generator emerge from the subclaims.

Mit einer erfindungsgemäßen Schaltung kann beispielsweise die Bewegung von zusammendrückbaren Fluiden, wie Gasen, durch Leitungsnetze simuliert werden. Eine mögliche Anwendung der Schaltung besteht daher in der Untersuchung der Wirkungsweise von Gasleitungsnetzen, in denen die Bewegung des Gases in den einzelnen Leitungen durch die Beziehung ausgedrückt wird:With a circuit according to the invention, for example, the movement of compressible Fluids, such as gases, can be simulated by pipeline networks. One possible application of the circuit therefore consists in investigating the mode of operation of gas pipeline networks in which the movement of the Gas in the individual lines is expressed by the relationship:

Pa — Pb = 2 pN K · Q" ,Pa - Pb = 2 p N K · Q ",

die auch in folgender Gestalt geschrieben werden kann:which can also be written in the following form:

Pa - Pb =Pa - Pb =

2pNKQ'2p N KQ '

(Pa + Pb)(Pa + Pb)

5555

wo pA der Druck am Eingang der Leitung, pB derjenige am Autgang, pN der atmosphärische Druck, Q das Fördervolumen ist und K und α geeignete Konstanten sind.where p A is the pressure at the inlet of the line, p B that at the outlet, p N is the atmospheric pressure, Q is the delivery volume and K and α are suitable constants.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematicher Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher •rlMutert.The invention is illustrated schematically below with the aid of hand Drawings of exemplary embodiments in more detail • rlMutert.

Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild einer erflnduagigemäßen Analogschaltung;Fig. 1 shows the basic circuit diagram of an inventive Analog circuit;

F i g. 2 und 3 zeigen zwei mögliche AusfUhrungsbeiipiele für den Aufbau des Funktionsgenerators der erflndungigemäßen Analogschaltung.F i g. 2 and 3 show two possible embodiments for the construction of the function generator of the analog circuit according to the invention.

Wenn die Schaltung daher die Gleichung (1) befriedigen soll, muß der dem Widerstand R der Schaltung entsprechende Spannungsabfall der Gleichung (4) genügen.Therefore, if the circuit is to satisfy equation (1), the voltage drop corresponding to the resistance R of the circuit must satisfy equation (4).

Die gewünschte Spannung E nach Gleichung (4) wird durch folgende Schaltung erzeugt. Die veränderliche Spannung VB wird über einen Kathodenfolger T1 dem einen Eingang eines FunktionsgeneratorsJ? und die zweite veränderliche Spannung VA über einen Kathodenfolger T2 dem anderen Eingang dieses Funktionsgeneratorsjj zugeführt. Die Spannung VA wird ferner vom Ausgang des Kathodenfolgers T2 dem Eingang eines Operationsverstärkers A1 zugeführt, der an seinem Ausgang und somit am Eingang des nachfolgenden Operationsverstärkers A2 eine Spannung - K4 liefert. Der mit den Spannungen VA und V8 gespeiste Funktionsgenerator^? liefert eine Ausgangsspannung K1', die ebenfalls dem Eingang des Operationsverstärkers A2 zugeführt wird.The desired voltage E according to equation (4) is generated by the following circuit. The variable voltage V B is fed via a cathode follower T 1 to one input of a function generator J? and the second variable voltage V A is fed through a cathode follower T 2 to the other input of this function generator jj. The voltage V A is also fed from the output of the cathode follower T 2 to the input of an operational amplifier A 1 , which supplies a voltage - K 4 at its output and thus at the input of the subsequent operational amplifier A 2. The function generator fed with the voltages V A and V 8? supplies an output voltage K 1 ', which is also fed to the input of the operational amplifier A 2.

Die Spannung an der Klemme D, die der Spannung an der Klemme A abzüglich des Spannungsabfalls am Widerstand R entspricht, d. h. K4 - V ist, da mit V der Spannungsabfall bezeichnet ist, wird dem Eingang des Kathodenfolgers T3 zugeführt. Die Ausgangsspannung K4V dieses Kathodenfolgers wird dem Eingang des Operationsverstärkers A1 zugeführt. Am Eingang des Operationsverstärkers A2 liegen damit die Spannungen - VM V{ und (K1 - V) an. Da dieser Operationsverstärker A2 einen hohen Verstärkungsgrad besitzt, so daß sein Eingangssignal Null sein muß, ergibt sich K1' = V. Der Spannungsabfall am Widerstand R ist daher stets gleich der Ausgangsspannung des Funktionsgenerators_G. Der Funktionsgenerator ist so gewählt, daß er ausgangsseitig eine von V4 und V8 nach Gleichung (4) abhängige Spannung liefert, so daß die Beziehung gilt:The voltage at terminal D, which corresponds to the voltage at terminal A minus the voltage drop at resistor R , ie K 4 - V , since V denotes the voltage drop, is fed to the input of cathode follower T 3. The output voltage K 4 - V of this cathode follower is fed to the input of the operational amplifier A 1. The voltages - V M V { and (K 1 - V)) are thus present at the input of the operational amplifier A 2 . Since this operational amplifier A 2 has a high gain so that its input signal must be zero, K 1 '= V. The voltage drop across the resistor R is therefore always equal to the output voltage of the function generator_G. The function generator is selected so that it supplies a voltage on the output side that is dependent on V 4 and V 8 according to equation (4), so that the relationship applies:

+ Vb)-(Va-Vb)V" (2KVn)11' + Vb) - (Va-Vb) V " (2KV n ) 11 '

Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers A2 ist über die Kathodenfolger T4. und Ts, die aus der Gleichrichterschaltung Q gespeist sind, mit den Klemmen D und F gekuppelt.The output voltage of the operational amplifier A 2 is via the cathode follower T 4 . and T s , which are fed from the rectifier circuit Q , are coupled to the terminals D and F.

Die Konstante K kann durch den Schalter S, d. h.The constant K can be changed by the switch S, ie

durch Änderung des Wertes -^- des Widerstandes K geändert werden.by changing the value - ^ - of the resistance K to be changed.

Fig. 2 zeigt eine mögliche Schaltung für den Funktionsgenerator^?, und zwar für solche Fälle, in denen die Konstante K der Gleichung (1) innerhalb weiter Grenzen veränderlich ist, während der Exponent α konstant ist. Der Funktionsgenerator G nach F i g. 2 umfaßt einen Operationsverstärker A3, durch welchen die Spannung Vx inventiert wird. Das Ausgangssignal — Vx wird mit der Spannung VB im Operationsverstärker A4. summiert, der einen Gegenkopplungskreis mit veränderlichen Widerständen K1 bis Kn bzw. Rl' bis Kn' und Dioden Dl bis Dn umfaßt. Die Dioden werden mit wachsender Spannung V{ zunehmend leitend und verringern daher zunehmend den Verstärkungsgrad. Die proportional zur mittleren V 4- V Fig. 2 shows a possible circuit for the function generator ^?, Specifically for those cases in which the constant K of equation (1) is variable within wide limits, while the exponent α is constant. The function generator G according to FIG. 2 comprises an operational amplifier A 3 , by means of which the voltage V x is invented. The output signal - V x has the voltage V B in the operational amplifier A 4 . summed up, which comprises a negative feedback circuit with variable resistors K1 to Kn or Rl ' to Kn' and diodes Dl to Dn. The diodes become increasingly conductive with increasing voltage V { and therefore increasingly reduce the gain. The proportional to the mean V 4 V

Spannung - veränderliche Polarisationsspannung der Dioden wird dem Operationsverstärker A5 entnommen, der die Summierung der Signale VA und V8 durchführt. Auf diese Weise wird das an dem Operationsverstärker A4. angelegte Signal (VB — VA) von diesem Verstärker im Vorzeichen umgekehrt und mit der der mittleren Spannung proportionalen Polarisationsspannung des Gegenkopplungskreises multipliziert. Das Ganze wird außerdem zu — erhoben, wobei α abhängig ist vom Wert der Widerstände des Gegenkopplungskreises. Hierzu ist ein entsprechender Umschalter für diese Widerstände vorgesehen. Die Ausgangsspanhung F1' des Funktionsgenerators entspricht bei dieser Anordnung der Gleichung (4). Die Konstante K kann durch Änderung des Widerstandswertes des Widerstandes K eingestellt werden. Voltage - variable polarization voltage of the diodes is taken from the operational amplifier A 5 , which adds the signals V A and V 8 . In this way, the operational amplifier A 4 . applied signal (V B - V A ) from this amplifier reversed in sign and multiplied by the polarization voltage of the negative feedback circuit proportional to the mean voltage. The whole thing is also raised to -, where α is dependent on the value of the resistances of the negative feedback circuit. For this purpose, a corresponding switch is provided for these resistors. The output voltage F 1 'of the function generator corresponds to equation (4) in this arrangement. The constant K can be adjusted by changing the resistance value of the resistor K.

F i g. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für den Funktionsgenerator Jj, bei dem innerhalb weiter Grenzen sowohl die Konstante K als auch der Exponent α geändert werden kann. Dieser Generator nutzt die logarithmische Beziehung aus, die zwischen dem Gitterstrom und der Gitterspannung einer Röhre besteht. An den Eingängen der beiden logarithmischen Verstärker T6 und TB liegen die Spannungen (VB + VA) bzw. (VA — VB) an. Der Operationsverstärker A6 liefert die Spannung — VB. Die logarithmischen Verstärker T6 und T8 erzeugen Spannungen, die proportional log (VB + Vx) bzw- log (Va - VB) sind und im Operationsverstärker A1 summiert werden. Letzterer besorgt auch das Teilen durch die Konstante α. Die Ausgangsspannung F/ des Operationsverstärkers A7, die der GrößeF i g. 3 shows an exemplary embodiment for the function generator Jj, in which both the constant K and the exponent α can be changed within wide limits. This generator takes advantage of the logarithmic relationship that exists between the grid current and the grid voltage of a tube. The voltages (V B + V A ) and (V A - V B ) are applied to the inputs of the two logarithmic amplifiers T 6 and T B. The operational amplifier A 6 supplies the voltage - V B. The logarithmic amplifiers T 6 and T 8 generate voltages that are proportional to log (V B + V x ) or log (Va - V B ) and are summed in the operational amplifier A 1. The latter also takes care of dividing by the constant α. The output voltage F / of the operational amplifier A 7 , which is the size

proportional ist, wird dem Eingang des aus dem Verstärker A8 und dem logarithmischen Element T7 bestehenden exponentiellen Verstärker zugeführt. Am Ausgang dieses Verstärkers ergibt sich also das Signal F1', das der Gleichung (4) entspricht. Die Einstellung des Exponenten α erfolgt über das Potentiometer?. is proportional, is fed to the input of the exponential amplifier consisting of the amplifier A 8 and the logarithmic element T 7. The signal F 1 ', which corresponds to equation (4), is thus obtained at the output of this amplifier. The exponent α is set using the potentiometer ?.

Claims (3)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Elektrische Analogschaltung zur Verwirklichung eines nichtlinearen elektrischen Widerstandes, bei. welchem zwischen den an seinen Enden angelegten Spannungen Vx und VB und dem zwischen seinen Enden fließenden Strom / folgende Abhängigkeit besteht:1. Electrical analog circuit for realizing a non-linear electrical resistance, at. which between the voltages V x and V B applied at its ends and the current flowing between its ends / the following relationship exists: τ, „ 2Vn-K-I" τ, " 2V n -KI" -•Dog (K1+ FW + log (K,-- • Dog (K 1 + FW + log (K, - VB) (Vx-V11)]V B ) (V x -V 11 )] 60 wobei Vn, K und α Konstanten sind, gekennzeichnet durch die Reihenschaltung eines konstanten linearen Widerstandes (K) mit einer Spannungsquelle (E), welche gebildet ist durch einen Operationsverstärker (A2) hohen Verstärkungsgrades mit nachgeschaltetem Kathodenfolger (7^, T^), wobei dem Eingang dieses Operationsverstärkers (A2) über einen invertierenden Operationsverstärker (Ai) die Spannung — VA, über einen weiteren Kathodenfolger (T^) die um den Spannungsabfall V am linearen Widerstand (K) verminderte Spannung Vx und über einen eingangsseitig mit den beiden Spannungen Vx und VB beaufschlagten und nach der Formel 60 where V n , K and α are constants, characterized by the series connection of a constant linear resistance (K) with a voltage source (E), which is formed by an operational amplifier (A 2 ) with a high gain with a downstream cathode follower (7 ^, T ^ ), the input of this operational amplifier (A 2 ) via an inverting operational amplifier (Ai) the voltage - V A , via a further cathode follower (T ^) the voltage V x reduced by the voltage drop V across the linear resistor (K) and via a applied to the input side with the two voltages V x and V B and according to the formula 1G (2 KVn)1" 1 G (2 KV n ) 1 " arbeitenden Funktionsgenerator (G) diese Ausgangsspannung V1' zugeführt wird, so daß der Spannungsabfall V an dem linearen Widerstand (K) stets gleich der Ausgangsspannung F1' dieses Funktionsgenerators (G) ist.working function generator (G) this output voltage V 1 'is supplied so that the voltage drop V across the linear resistor (K) is always equal to the output voltage F 1 ' of this function generator (G). 2. Analogschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Funktionsgenerator (GJ aus einem Operationsverstärker (A4) mit einem nichtlinearen Gegenkopplungskreis aus Dioden (Dl bis Dn) und Widerständen (Kl bis Rn, RV bis Rn') besteht und die Dioden durch die vor) einer Summierschaltung (A3) gelieferte, dem Mitteln wert der beiden Spannungen Vx und Vn proportionale Spannung 2. Analog circuit according to claim 1, characterized in that the function generator (GJ from an operational amplifier (A 4 ) with a non-linear negative feedback circuit of diodes (Dl to Dn) and resistors (Kl to Rn, RV to Rn ') and the diodes through the before) a summing circuit (A 3 ) supplied, the mean value of the two voltages V x and V n proportional voltage (F i g. 2).(Fig. 2). 3. Analogschaltung nach Anspruch 1, dadurcr gekennzeichnet, daß der Funktionsgenerator (G aus zwei logarithmischen Verstärkern (7^, T8 besteht, von denen dem einen (T6) die Summe VB+ Vx und dem anderen (7J) über einen Ver* stärker (A6) die Differenz Vx — VB zugeführt wird und deren Ausgangsspannungen in einem Opera« tionsverstärker (A7) summiert werden, wobei dem Ausgang dieses Operationsvtntärktrs (A1) ein expontentieller Verstärker (A9, T1) nachgeschaltet ist (Fig. 3).3. Analogue circuit according to claim 1, characterized dadurcr that the function generator (G of two logarithmic amplifiers (7 ^, T is 8, of which the one (T 6) the sum V B + V x and the other (7J) over a Amplifier (A 6 ) the difference V x - V B is supplied and the output voltages of which are summed in an operational amplifier (A 7 ) , the output of this operational amplifier (A 1 ) being an expontential amplifier (A 9 , T 1 ) is connected downstream (Fig. 3). polarisiert sindjare polarized j Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

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