DE1549597C - Differenzierschaltung - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Differenzier- Von den Figuren zeigt

schaltung zur Erzeugung eines differenzierten Signals Fig. 1 eine grafische Darstellung der Funktion aus einem Eingangssignal im Wege der Differenz- y = f (x) zur Erläuterung der Annäherung der Abbildung zwischen dem Augenblickswert des Eingangs- leitung der Funktion durch Bildung eines endlichen signals und einem über eine Torstufe gespeicherten 5 Differenzwertes,
vorhergehenden Eingangssignalwert. F i g. 2 eine schematische Darstellung einer erfm-

Eine derartige Differenzierschaltung ist durch die dungsgemäßen Schaltungsanordnung,

USA.-Patentschrift 2 947 480 bekanntgeworden. Bei F i g. 3 eine im Rahmen der Erfindung zur An-

dieser bekannten Schaltung wird das zu differenzie- wendung vorgesehene Torschaltung,

rende Eingangssignal über eine impulsgesteuerte io F i g. 4 eine Darstellung der Taktgeberimpulse für

elektronische Schaltstufe einer Speicherkapazität zu- die in F i g. 3 dargestellte Torstufe,

geführt. Die sich an der Kapazität ausbildende Span- In Fig. 1 handelt es sich darum, die Ableitung

nung wird laufend subtrahiert von der dem Augen- der Funktion y = / (x) zu bilden. Die Ableitung der

blickswert des Eingangssignals entsprechenden Span- Funktion y an der Stelle P, entsprechend den Koordi-

nung, so daß während der Schließungszeiten der elek- 15 naten X₁, y_v ist die Änderung von y in bezug auf x,

ironischen Schaltstufe ein Augenblickswert des Ein- und diese Änderung oder Steilheit der Kurve wird

gangssignals mit einem für einen vorausgehenden durch die Linie PT, die Tangente an die Kurve in

Zeitpunkt maßgeblichen Signalwert verglichen wird. dem Punkt P₁ repräsentiert. Es kann die Tangente PT

Die sich auf diese Weise ergebende sägezahnförmige auch als der Grenzfall der Linie PQ betrachtet wer-

Differenzspannung wird über eine Tiefpaßfilterkette 20 den, wenn der Punkt Q, der die Koordinaten X₂, y₂

einem Gleichstromverstärker zugeführt, wobei die hat, sich dem Punkt P nähert. Wenn Q sich dem

obere Grenzfrequenz der Tiefpaßfilterkette entspre- Punkt P nähert, so stimmt die Verbindungslinie PQ

chend niedriger als die Schaltfrequenz des elektro- angenähert mit der Tangente PT überein. Daher

nischen Schalters sein muß. Die Einhaltung dieser bildet die Steilheit der Linie PQ eine Annäherung für

Forderung hat zur Folge, daß die Möglichkeit einer 25 die Steilheit der Tangente PT. Das Maß der Änderung

Variierung der Schaltfrequenz des elektronischen entsprechend der Linie PQ kann ausgedrückt wer-

Schalters nicht gegeben ist. den als Quotient RQlPR oder als (y₂ — y_t) I (x₂ — X₁).

Eine Differenzierschaltung zur Erzeugung eines Dieser Ausdruck bildet den Mittelwert der Änderung

differenzierten Signals aus einem Eingangssignal von y im Intervall zwischen X₁ und X₂. Man kann

zwecks Zuführung des differenzierten Signals an eine 30 dies auch als Annäherung der Neigung der Kurve

Signalverarbeitungsstufe hoher Eingangsimpedanz im in der Mitte zwischen den Punkten P und Q betrach-

Wege der Differenzbildung zwischen dem Augen- ten. Es ist offensichtlich, daß, wenn die Werte von y

blickswert des Eingangssignals und einem über eine in aufeinanderfolgenden gleichen Intervallen von χ

durch Taktgeberimpulse gesteuerte Torstufe gespei- betrachtet werden, man eine Annäherung der Ablei-

cherten vorhergehenden Eingangssignalwert kenn- 35 tung der Kurve y über die gesamte Kurve erhalten

zeichnet sich gemäß der Erfindung dadurch, daß drei kann. Um so mehr Werte gebildet werden, um so

normalerweise gesperrte Torstufen hoher Eingangs- besser ist die Auflösung. Dementsprechend wird der

impedanz in Serie geschaltet sind und der ersten Tor- Unterschied y₂ — ^₁ für jeden Vergleich entsprechend

stufe das zu differenzierende Eingangssignal züge- verringert.

führt wird und der dritten Torstufe das differenzierte 40 Eine Schaltungsanordnung, um eine Ableitung in

Signal entnommen wird und daß zwischen dem Span- der vorstehend erörterten Weise zu erhalten, ist in

nungsbezugspunkt und dem Verbindungspunkt der F i g. 2 wiedergegeben. Die rechteckigen Blöcke 10,

ersten Torstufe mit der zweiten Torstufe und dem 12, 14 und 16 sind Ausblendtorstufen, die für die

Verbindungspunkt der zweiten Torstufe mit der drit- Eingangssignale Ausgangssignale bilden mit sehr ge-

ten Torstufe je eine Speichervorrichtung (ζ. B. 45 ringer Strombelastung der Eingangssignale. Es kön-

Kapazität) angeordnet ist und daß zwischen dem nen an sich die verschiedensten Ausblendtorstufen

Bezugspunkt und der Ausgangsklemme der dritten in diesem Sinne verwendet werden, eine bevorzugte

Torstufe die Serienschaltung einer weiteren Speicher- Ausblendstufe aber ist die in F i g. 3 dargestellte so-

vorrichtung (z. B. Kapazität) und einer vierten Tor- genannte Rhombus-Schaltung. Eine eingehende Be-

stufe hoher Eingangsimpedanz angeordnet ist und 50 Schreibung dieser Schaltungsanordnung befindet sich

zwischen der Ausgangsklemme der dritten Torstufe in dem MIT Lincoln Laboratory Technical Report

und dem Verbindungspunkt der beiden ersten Tor- Nr. 300 vom 30. Januar 1963,Verfasser R.H.Baker,

stufen eine Impedanz (Widerstand) angeordnet ist Eine solche Rhombus-Schaltung ist eine entartete

und daß zum kurzzeitigen Öffnen der ersten, dritten Analog-Digital-Schaltungsanordnung in Form einer

und vierten Torstufe einerseits und der zweiten Tor- 55 Transistorbrücke mit hoher Leistungsverstärkung

stufe andererseits abwechselnd zeitlich versetzte und einer Spannungsverstärkung von ungefähr 1. Die

Taktgeberimpulsreihen zugeführt werden. Stromkreisanordnung besteht aus den beiden PNP-

Eine erfindungsgemäße Differenzierschaltung weist Transistoren 18 und 20 und den beiden NPN-Transigegenüber der vorstehend erörterten bekannten stören 22 und 24, die zu einer Brücke zusammenschaltung den Vorteil auf, daß Beschränkungen der 60 geschaltet sind mit den Eckpunkten 26, 28, 30 und eingangs erörterten Art in bezug auf die Wahl der 32. Der eine Eckpunkt 26 verbindet die Basiselektro-Umschaltgeschwindigkeit der Schaltstufen nicht vor- den der Transistoren 18 und 22; der Eckpunkt 28 liegen. Außerdem ist eine erfindungsgemäße Diffe- verbindet die Emitterelektroden der Transistoren 20 renzierschaltung bestens geeignet, das in Erscheinung und 24; der Eckpunkt 30 verbindet den Emitter des tretende differenzierte Signal an eine Eingangsstufe 65 Transistors 18 mit der Basiselektrode des Transistors hoher Eingangsimpedanz zu liefern. 24; der Eckpunkt 32 verbindet die Emitterelektrode

Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungs- des Transistors 22 mit der Basiselektrode des Tranbeispiels in Verbindung mit den Figuren beschrieben. sistors 20. Die Eingangsspannung wird der Brücken-

anordnung an der Klemme 34 zugeführt, die mit dem Eckpunkt 26 verbunden ist, während die Ausgangsspannung von der mit dem Eckpunkt 28 verbundenen Klemme 36 entnommen wird. Eine geeignet positive und negative Gleichspannung wird den KoI-lektorelektroden der Transistoren 22, 24,18 und 20 zugeführt.

Es sei angenommen, daß das der Rhombus-Schaltung gemäß Fig. 3 zugeführte Eingangssignal ein

findet, wenn ein Öffnungsimpuls der Torstufe zugeführt wird, ist es offensichtlich, daß die Ladungszeit der Kapazitäten 54, 56 und 58 geringer als die Impulsbreite t ist. Die Impulse der zweiten. Taktgeberserie sind um eine Zeit Θ gegenüber den Impulsen der ersten Taktgeberserie versetzt. In einem Ausführungsbeispiel wurde θ zu 20 μβ gewählt. Es können die Taktgeberimpulse in F i g. 4 entweder von einer Uhr abgeleitet werden oder von anderen Variablen,

kontinuierliches Signal ist, das über ein eine Speiche- io beispielsweise von einer Entfernung, vorausgesetzt, rung für Analogsignale bewirkendes, an die Klemme daß eine Umwandlung in eine Impulsfrequenz mög-34 angeschlossenes Mittel gegenüber dem Bezugs- lieh ist.

punkt zugeführt wird. Das Speicherelement kann eine Die Arbeitsweise der Schaltungsanordnung ist wie

Kapazität 38 sein. Das Ausgangssignal ergibt sich an folgt: Eine schwankende kontinuierliche Spannung V einem zweiten Speicherungsmittel für Analogsignale, »5 bildet die Funktion y = / (x), deren Ableitung beispielsweise an der Kapazität 40 zwischen der y' — f (*) gewünscht wird; die Funktion y wird als Klemme 36 und dem Bezugspunkt, der hier der Er- Spannung der Eingangsklemme 46 zugeführt. Begindungspunkt ist. nend mit dem Zeitpunkt t₁ in Fig. 4 werden Takt-

Durch Stromimpulsei_g der Dauer/ wird periodisch geberimpulse den Torstufen 10,14 und 16 zugeführt, die Rhombus-Schaltung in den. stromführenden Zu- »° und die Kapazität 54 wird bis zu der Spannung V₁ stand gesteuert; die Steuerimpulse sind positive und zu der Zeit t_y aufgeladen. Während des Intervalls Θ negative Impulse, die gleichzeitig den Eckpunkten 30 nach dem ersten Impuls sind sämtliche Torstufen ge- und 32 von den Klemmen 42 und 44 zugeführt wer- sperrt. Am Ende der Zeitspanne Θ entsperrt die den. Wenn ein Steuerimpuls auftritt, so wird die Ein- zweite Impulsfolge die Torstufe 12, während die Torgangsspannung der Ausgangskapazität 40 zugeführt. ^a5 stufen 10,14 und 16 gesperrt bleiben, und die Spanin Anbetracht der hohen Stromverstärkung ergibt nung V₁ wird auf die Kapazität 56 übertragen. Es sich eine minimale Belastung des Eingangskreises, sind nunmehr die Kapazitäten 54 und 56 beide auf und die an der Eingangskapazität 38 sich ausbildende den Spannungswert V₁ aufgeladen. Bis zum nächsten Spannung wird getreu als Ausgangsspannung an der ■ Impuls bleiben sämtliche Torstufen gesperrt. Zum Kapazität 40 abgebildet. Wenn die Steuerimpulse ab- 3» Zeitpunkt U₂ werden die Torstufen 10, 14 und 16 geschaltet werden, so arbeitet die Schaltungsanord- durch die erste Taktgeberimpulsfolge wieder geöffnet, nung als ein leer laufendes Netzwerk. und die Kapazität 54 wird auf einen neuen Eingangs-

In der in F i g. 2 dargestellten Schaltungsanord- spannungswert V₂ aufgeladen, wobei die Spannungen nung sind die ausblendenden Torstufen 10, 12 und an den Kapazitäten 56 und 58 ungefähr V₁ betragen 14 in Serie zwischen der Eingangsklemme 46 und 35 und die Verbindungsstelle 62 sich auf Erdpotential dem Verbindungspunkt 48 geschaltet. Die Torstufen befindet. Wenn der Impuls U₂ verschwindet, sind 10 und 12 und die Torstufen 12 und 14 bilden die sämtliche Torstufen gesperrt. Da jedoch die oberen Verbindungspunkte 50 und 52. Kapazitäten 54 bzw. Klemmen der Kapazitäten 54 und 58 miteinander 56 sind zwischen den Verbindungspunkten 50 bzw. verbunden sind, erscheint an der Stelle 62, der Ein-52 und dem als Bezugspunkt angenommenen Er- ⁴° gangsklemme des Verstärkers 64, der Unterschied dk h ih d S d Kität 54

gg

zwischen den Spannungen an den Kapazitäten 54 und 58, nämlich V₂- V₁. Es fließt effektiv kein Strom in dem Zweig, der von dem Erdungspunkt über die Kapazität 54, den Widerstand 60, die Kapazität 58 ⁴S und den Verstärker 64 führt, weil der Verstärker 64 eine hohe Eingangsimpedanz hat. Wenn nach der Zeit θ nach dem Impuls U₂ ein Impuls der zweiten Impulsfolge auftritt, wird die Spannung V₂ der Kapazität 54 auf die Kapazität 56 übertragen. Im Zeitpunkt /₃ werden die Torstufen 10,14 und 16 wieder entsperrt, und eine neue Spannung V₃ erscheint an der Kapazität 54, und die Spannung V₂ wird von der Kapazität 56 auf die Kapazität 58 übertragen, und

_{r o}__ _{o r}___o der Punkt 62, d. h. die Eingangsklemme des Verstär-

^ beispielsweise einem RelaxationsosziUator abge- 55 kers 64, wird geerdet. Nach dem Impuls t_a beträgt leitet. Fig. 4 beschreibt grafisch die Wellenformen die Eingangsspannung des Verstärkers 64 die Diffeder beiden Taktgeberimpulsarten, die zum Betrieb renz V₃ - V,. Dieser Vorgang dauert so lange an, der Schaltung verwendet, werden. Es sind nur die wie es gewünscht ist, wobei aufeinanderfolgende positiven Impulse in Fig. 4 gezeigt, es ist jedoch Eingangsspannungsdifferenzen die Ableitung der offensichtlich, daß auch entsprechende negative Im- <>o Funktion in dem Eingangskreis des Verstärkers 64 pulsabschnitte vorliegen. Die obere Impulsreihe steu- entstehen lassen. Wenn die Zeitintervalle zwischen ert die Torstufen 10, 14 und 16, und die untere
Impulsreihe steuert die Torstufe 12. Die Impulsbreite
ist mit / bezeichnet und die Impulspause mit T. Bei
einem Ausführungsbeispiel war / zu 6 μδ gewählt, 65
und T betrug zwischen 2 ms und 1 Sekunde. Da an
jeder Torstufe kontinuierlich die Eingangsspannung
wirkt und Übertragung dieser Spannung nur statt-

dungspunkt vorgesehen. Die Serienkombination einer dritten Kapazität 58 und einer weiteren Torstufe 16 ist zwischen der Verbindungsstelle 48 und der Erdungsstelle vorgesehen. Ein Widerstand 60 verbindet die Verbindungsstellen 48 und 50 miteinander. Das Ausgangssignal wird an der Stelle 62 zwischen der Kapazität 58 und der Torstufe 16 entnommen, und der angeschlossene Belastungskreis soll eine hohe Eingangsimpedanz haben, beispielsweise ein Gleichstromverstärker 64 sein.

Damit die Differenziervorrichtung kontinuierlich arbeitet, werden regelmäßige Toröffnungsimpulse den Klemmen 42 und 44 der Torstufen zugeführt. Diese Impulse werden von einem geeigneten Impulsgenera-

den Taktgeberimpulsen konstant gehalten werden, d. h., wenn

- t

ist, so liefern aufeinanderfolgende Eingangsspannungsdifferenzen aufeinanderfolgende endliche Differenznäherungswerte für die Ableitung der Ein-

gangsspannung, die, wie früher erwähnt, durch die Funktion y = / (x) gegeben ist.

Es ist offensichtlich, daß die Verstärkung des Systems proportional der Zeitdauer zwischen aufeinanderfolgenden Taktgeberimpulsen ist. Eine Veränderung der Zeitspanne zwischen Taktgeberimpulsen entspricht daher der Veränderung der Zeitkonstanten in üblichen Differenzierkreisen eines gegengekoppelten Verstärkers (operational amplifier), und es kann daher die Frequenzcharakteristik unter Anwendung nur eines Einstellmittels verändert werden. Es ist ferner zu beachten, daß Störgeräuschkomponenten im Eingangssignal bei der erfindungsgemäßen Anordnung nicht mit verstärkt werden, insoweit es sich um Störgeräuschkomponenten handelt, deren ^% Frequenz hoch gegenüber der Impulswiederholungsfrequenz ist. .

In der vorstehenden Beschreibung wurden die zur Anwendung vorgesehenen Taktgeberimpulse als Zeittaktgeberimpulse unterstellt. Es wäre jedoch auch ao möglich, die Taktgeberimpulse von einer anderen periodischen Variablen abzuleiten, nach der dann die Differentiation erfolgt.

Claims (4)

Patentansprüche: »5

1. Differenzierschaltung zur Erzeugung eines differenzierten Signals aus einem Eingangssignal _:-> zwecks Zuführung des differenzierten Signals an eine Signalverarbeitungsstufe hoher Eingangsimpedanz im Wege der Differenzbildung zwischen dem Augenblickswert des Eingangssignals und einem über eine durch Taktgeberimpulse gesteuerte Torstufe gespeicherten vorhergehenden Eingangssignalwert, dadurch gekennzeichnet, daß drei normalerweise gesperrte Torstufen (10,12,14) hoher Eingangsimpedanz in Serie geschaltet sind und der ersten Torstufe (10) das zu differenzierende Eingangssignal zugeführt wird und der dritten Torstufe (14) das differenzierte Signal entnommen wird und daß zwischen dem Spannungsbezugspunkt und dem Verbindungspunkt (SO) der ersten Torstufe (10) mit der zweiten Torstufe (12) und dem Verbindungspunkt (52) der zweiten Torstufe (12) mit der dritten Torstufe (14) je eine Speichervorrichtung (z. B. Kapazität 54, 56) angeordnet ist und daß zwischen dem Bezugspunkt und der Ausgangsklemme (48) der dritten Torstüfe (14) die Serienschaltung einer weiteren Speichervorrichtung (z. B. Kapazität 58) und einer vierten Torstufe (16) hoher Eingangsimpedanz angeordnet ist und zwischen der Ausgangsklemme (48) der dritten Torstufe (14) und dem Verbindungspunkt (50) der beiden ersten Torstufen (10, 12) eine Impedanz (Widerstand 60) angeordnet ist und daß zum kurzzeitigen öffnen der ersten, dritten und vierten Torstufe (10, 14, 16) einerseits und der zweiten Torstufe (12) andererseits abwechselnd zeitlich versetzte Taktgeberimpulsreiheh zugeführt werden. .

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Torstufen durch Transistorbrückenschalturigen gebildet werden, und eine hohe Stromverstärkung aufweisen und daß die Speicherelemente Kapazitäten (38, 40) sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Taktgeberimpulsreihen die gleiche Impulswiederholungsfrequenz aufweisen. . ■ '

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulswiederholungsfrequenzen der Taktgeberimpulsreihen einstellbar sind. ■

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen