DE1588624A1

DE1588624A1 - Schaltung mit veraenderlicher UEbergangsfunktion

Info

Publication number: DE1588624A1
Application number: DE19671588624
Authority: DE
Inventors: Heesh David E
Original assignee: Philco Ford Corp
Current assignee: Space Systems Loral LLC
Priority date: 1966-06-01
Filing date: 1967-05-31
Publication date: 1970-07-23
Also published as: DE1588624B2; NL6701444A; US3482113A; BE689764A

Description

PHILCO-PORD CORPORATION, Philadelphia / Perms. ( 7. St. A. )

Schaltung mit veränderlicher Übergangsfunktiott

Die Erfindung betrifft eine Schaltung mit veränderlicher Übergangsfunktion und im besonderen eine Schaltung zur Steuerung der Phase eines ersten Signals nach Maßgabe der Amplitude eines zweiten Signals. Derartige Schaltungen eignen sich insbesondere zur Anwendung in Regelschaltungen, wobei das erste Signal (dessen Phase gesteuert werden soll) ein Informatio.issignal vom RückfUhrtyp oder vom Fehlersignaltyp ist, und da? zweite Signal ein Steuersignal darstellt, dessen Amplitude proportional einer gegebenen Größe wie beispielsweise der Zeit oder der Stellung ist. Um eine stabile Regelschleife aufrechtzuerhalten, muß die Phase des Informationssignals gewöhnlich kontinuierlich als Punktion der Amplitude des Steuersignals geändert werden. Ein Anwendungsbeispiel für eine derartige Schaltung ergibt sich bei der Lenkung von Flugkörpern, wobei die Phase des Informationssignals, welches

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die Pluglage und den Flugweg des Plugkörpers in seiner Richtung festlegt und bestimmt, als Punktion der Entfernung oder der Zeit,, welche der Plugkörper seit der Zündung zurückgelegt hat, verändert werden muß, um die Rüekführschleife stabil zu halten.

In bekannten Systemen dieser Art war hierfür die Verwendung elektromechanischer Bauteile erforderlieh, die von Haus aus unzuverlässig und ungeeignet zur Verwendung unter veränderlichen Umgebungsbedingungen sind. Außerdem waren die bekannten Systeme nicht in der Lage, auf verschiedene Arten von Steuersignalen anzusprechen, sondern eignen sich gewöhnlich nur zur Verwendung in Verbindung mit einem einzigen vorgegebenen Steuersignaltyp.

Durch die vorliegende Erfindung soll somit eine Schaltung zur Steuerung der Phase eines Informationssignals nach Maßgabe der Amplitude eines beliebigen Steuersignals geschaffen werden, wobei das System voll-elektronisch sein soll und keine mechanischen oder beweglichen Teile benötigen soll und dabei gleichzeitig hohe Genauigkeit, Betriebszuverlässigkeit und Eignung

t zur Verwendung unter praktisch beliebigen Umgebungsbedingungen

besitzen soll.

Nach dem Grundgedanken der Erfindung wird das Infortnationssignal dem Eingang eines Punktioriverstärkers über eine Eingangeirapedanz

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zugeführt, welche zwei parallele Zweige aufweist; das Steuersignal wird Schaltmitteln zur Bildung eines dtjs Steuersignal wiedergebenden impulsbreitenmodulierten (IBM-) Signals zugeführt j dieses Impulsbreitenmodulierte Signal trtibt einen Chopper oder elektronischen Schalter, welcher im Nebenschluß zu einem reaktiven Zweig der Eingangsimpedanz-Schaltung des Funktionsverstärkers liegt; in dem Maße, als die Breite der Impulse des dem Chopper zugeführten impulsbreitenmodulierten Signals sich nach Maßgabe der Amplitude des Steuersignals ändert, ändert sich damit die Effektivimpedanz des reaktiven Zweigs und damit die effektive Impedanz der parallelgeschalteten Zweige nach Maßgabe der Amplitude des Steuersignals. Das \m Ausgang des Funktionsverstärkers auftretende Informationssignal wird daher in seiner Phasenlage kontinuierlich nach Maßgabe der Amplitude des Steuersignals verändert.

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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben, deren einzige Figur ein Schaltseheina einer Schaltung rnit variabler Übergangs funktion gemäß einem AusfUhrungßbeispiel der Erfindung zeigt.

In der Zeichnung stellt 10 eine Quelle für ein zeitveränderliches Informationssignal, wie beispielsweise ein Fehlersignal einer Regelschaltung, dar, dessen Phase nach Maßgabe der Amplitude eines von einer Quelle 12 gelieferten Steuersignals verändert werden soll. In dem gezeigten Beispiel ändert sich das Steuersignal über eine verhältnismäßig lange Periode, beispielsweise eine Sekunde, hin linear von +10 bis -10 V, und das Informationssignal besitzt eine veränderliche Frequenz von etwa 0,1 bis 10 Hz* Es sei. jedoch betont, daß für die Zwecke der Erfindung jegliche Art von Steuer- und Informationssignalen verwendbar sind. Bei dem gezeigten speziellen AusfUhrungsbeispiel ist die Anordnung so getroffen, daß die Phase des Informationssignals zu einer der Amplitude des Steuersignals umgekehrt proportionalen Phasenvoreilung veranlaßt wird. Mit anderen Worten: Wenn das Steuersignal aus der Quelle 12 seinen posifcLtfij&n Wert besitzt, wird in dem Informationssignal keine Phasenänderung bewirkt, hingegen erhält das Informationssignal eine maximale Phasenvoreilung, wenn das Steuersignal seinen negativsten Wert einnimmt.

Au.s dei? Steuersignal wird mittels eines Spannungskomparators und eines Sägezahngenerator 16 ein impulsbreitenmoduliertes

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(IBM-) Signal gebildet. Der Generator 3.6 erzeugt ein sägezahnförraiges Signal der angedeuteten Art, das sieh mit einer Frequenz von etwa I^ kHz von +10 auf -10 V ändert. Der Spannungskomparator 14 liefert eine Ausgangsgröße von konstantem Wert nur dann, so lange das Steuersignal (A) größer als das Sägezahasignal (B) ist. Der Spannungskomparator kann beispielsweise einen leicht sättigbaren Transistorverstärker aufweisen, in welchem das Steuersignal an einen Eingang, beispielsweise die Basis, und' däb Sägezahnsignal an einen zweiten Eingang, beispielsweise den Emitter, angelegt wird. Die Ausgangsgröße des Spannungskomparators wird in dem Verstärker 18 verstärkt; die so erhaltene Wiedergabe des Steuersignals als impulsbreitenmoduliertes Signal ist bei 20 angedeutet.

Man erkennt, daß das IBM-Signal 20 aus einer Reihe von Impulsen von abnehmender Breite besteht, deren durch die Pfeile 22 angedeutete Vorderflanken jedoch gleiche Abstände voneinander besitzen. Dieser gleiche Abstand zwischen den Vorderflanken der Impulse 20 rührt daher, daß das Säge^ahnsignal plötzliche Übergänge von seinem positivsten Wert zu seinem negativsten Wert besitzt. Somit ist nach dem bekannten Prinzip der Impulsbreitenmodulation die Breite der Impulse des IBM-Signals 20 proportional der Amplitude des Steuersignals 12. Es sei darauf hingewiesen, daß selbstverständlich, wie durch die Durchbrechungen in der Zeitachse der Signaldarstellung 20 angedeutet, eine Vielzahl von Impulsen (in dem gezeigten Ausführ-ungsbelspiel etwa 14.000 Impulse) zwischen

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den Impulsen von maximale:.:* und den Impulsen von minimaler Breite auftreten.

Das IBM-Signal 20 wird e:Snsui Chopper oder elektronischen Schalter 2h zugeführt; dieser besteht aus einem Transistor, dessen Emitter geerdet, dessen Basis mit eiern Ausgang des Verstärkers IS und dessen Kollektor mit einem Punkt 26 einer im folgenden noch beschriebenen Schaltung verbunden sind. Die Wirkungsweise des Choppers 2h ist von solcher Art, daß die Impulse des IBM-Signals 20 den Schoppertransistor in den leitenden Zustand einschalten und damit bewirken, daß während jedes der Impulse zwischen dem Punkt 26 und Erde praktisch die Impedanz Null liegt. Zwischen den Impulsen ist der Choppertransistor nicht-leitend, derart daß zwischen dem Punkt 26 und Erde während dieser Intervalle praktisch eine unendlich große Impedanz liegt.

Das Informationssignal 10 wird dem Eingang eines Funktionsverstärkers 28 zugeführt. Wie bekannt, besteht ein Punktionsverstärker aus einer Eingangs-Reihenimpedanz, einem Gleichstrominversionsverstärker hoher Verstärkung, sowie einer «en Verstärker überbrückenden Rückführ- bzvr. RUckkopplungsimpedanz- Die' Wirkungsweise des Punktlontverstärkers ist solcher Art, daß die Beziehung zwischen seiner Ausgangsgröße und seiner Eingangsgröße ausschließlich von der Beziehung zwischen der Rückführimpedanz und der Reihen-Eingangsimped;anδ abhängt, unabhängig von dem Ver-

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ntärkungsfaktor des Gleichstromverstärker^, so lange diese Ver~ Stärkung sehr hoch ist.

Im beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Gleichstromverstärker, der eine Spannung.sverstärkung von etwa 5 000 besitzt, bei 50 dargestellt, die RUokkopplungsimpedanz ist ein rein Ohm¹scher Widerstand 32, und die Reiheneingangsimpedanz weist zwei parallele Zweige auf« Im oberen Zweig liegt ein Widerstand 34, im unteren Zweig liegen ein Widerstand 36, ein Kondensator 38 und ein Widerstand 40. Des weiteren ist in dem unteren ZwAg ein Chopping-Prequenzfilter 42 aus einem Widerstand 44 und einem Nebenschlußkondensator 46 vorgesehen; ferner liegt zwischen dem Ausgang des Filters 42 und dem Kondensator 38 ein Impedanü-Anpassungsverstärker 48, welcher einen Transistor 50 in Emitterfolgesehaltung mit einer geeigneten Lastimpedanz und Vorspannungsquellen aufweist. Der Chopper 24 liegt zwischen dem Punkt 26, dem Knotenpunkt zwischen den Widerständen 36 und ^ι'Λ, einerseits und Erde.

Wirkungsweise der Schaltung.

Wenn das von der Quelle 12. gelieferte Steuersignal seinen positiven Maximalwert besitzt, Iiaben entsprechend die Impulse des IBM-Signals 20 maximale Bcel'ce, emv art d:S> der Chopper 24 fast während der gesamten Zeit leitend ist und praktisch einen Kurzschluß zwischen de"i Schali'-ungspunlct. i?6 und Erde bildet. Der. Wider-BADORiGiNAL

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stand 36 liegt dann effektiv zwischen dem Ausgang der Informationssignalquelle 10 und Erde, und dem Verstärker 30 wird kein- Anteil des Eingangssignals über den unteren, reaktiven Zweig zugeführt. Der Widerstand J4 bildet dann somit die einzige Reihen-Eingangsimpedanz für den Funktionsverstärker. Daher wird praktisch keine Phasenverschiebung in dem Infonaationssignal hervorgerufen.

In dem Maße, als die Amplitude des Steuersignals von dem anfänglichen hohen positiven Wert abnimmt, nimmt auch die Breite der Impulse des IBM-Signals 20 ab. Dies bewirkt, daß der Chopper 24 nurmehr während eines zunehmend kleineren prozentualen Zeitanteils leitend ist· Hierdurch nimmt die mittlere oder durchschnittliche Impedanz zwischen dem Schaltungspunkt 26 und Erde, und damit die durchschnittliche Amplitude des der Basis des Transistors 50 züge· führten Informationssignals zu. Da die Chopper-Frequenz oder Impulsbreitenmodulationsfrequenz, welche durch die Frequenz des von der Quelle 16 gelieferten Sägezahnsignals bestimmt wird, wesentlich höher als sowohl die Frequenz des Informationssignals als auch die des Steuersignals ist, worden die Chopper-Frequenzkomponenten durch das Chopperfrequenzfliter 42 aus dem der Basis . des Transistors 50 zugeführten Signal entfernt. Sobald das Steuersignal seinen am stärksten negativen Wert erreicht hat, derart daß der Chopper 2'¹' fa.-fc v-refhrsnd der gesamten Zeit nicht-leitend ist, -r.'.vr⁷ ein v/es^-'-li ⁿ3\<-y.:- TtU. ct^f? ir.format Jonssignals über den

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untevi-.rj 2v:si^r: \g" ^e?.b-.:7 ·;-Asnz '!.es .^TT"^!itionnVerstärkers golei.tet«

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Die Parallelkombination aus den beiden Parallelzweigen besitzt nunmehr infolge des Kondensators- 38 eine nennenswerte reaktive Komponente; damit wird infolge des Reihenwiderstands 38 in dem Informationssignal eine Phasenvoreilung hervorgerufen. Wenn das Steuersignal 12 seinen maximalen negativen Wert einnimmt, wird in dem Informationssignal eine maximale Voreilung erzeugt.

Man erkennt, daß In dem Maße, als das Steuersignal von seinem positiven Wert auf seinen negativen Wert abnimmt, der Chopper 24 während eines zunehmend größeren prozentualen Zeitanteils nicht-leitend wird und damit in dem Inforaationssignal eine zunehmende Phasenvoreilung proportional zur Amplitude des Steuersignals hervorgerufen wird.

Der Impedanzanpassungsverstärker 48 dient zur Erzeugung einer niedrigen Eingangs impedanz für den Verstärker 30. Die Widerstände 36 und 40 isolieren den Chopper 24 bzw. den Kondensator 3& gegenüber dem Informationssignal an den beiden Enden des Widerstands 34, wenn der Choppertransistor eingeschaltet ist.

Zwar könnte das Steuersignal unmittelbar zum Antrieb des Choppertransistors dienen, derart daß eine variable Impedanz statt wahlweise eine unendlich große Impedanz bzw. die Impedanz Null zwischen dem Schaltungspunkt 26 und Erde erzeugt würde; es wurde jedoch gefunden, daß die Verwendung eines impulsbreitenmodulierten

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Signals, welches den Choppertransistor abwechselnd in den voll leitenden bzw. in den nicht leitenden Zustand bringt, ein einfacheres und genaueres Steuerverfahren darstellt. Die Impedanz des Choppertransistors läßt sich nur schwer linear steuern, sodaß, falls kein impulsbreitenmoduliertes Antriebssignal verwendet würde, wesentlich kompliziertere Schaltungen zur Erzielung der Linearität erforderlich wären.

Aus der vorhergehenden Beschreibung ergibt sich, daß die Erfindung ein neues und vielseitiges und dabei einfaches Verfahren zur Steuerung der Phase eines beliebigen Signals nach Maßgabe der Amplitude eines beliebigen anderen Signals an die Hand gibt. Die Erfindung kann auch zur Erzeugung einer zeitveränderlich en Nacheilung in einem beliebigen Informationssignal verwendet werden, indem man die Reiheneingangsimpedanzschaltung und den RUckkopplungswiderstand 32 des Punktionsverstärkers vertauscht. In diesem Falle wäre der Kondensator 38 als Rückkopplungsimpedanz zur Erzeugung einer Nacheilung geschaltet, und der Chopper 24 würde effektiv die Nacheil-Reaktanz dieser Rückkopplungsschaltung steuern.

Falls sowohl «ine Phasenvorell- und -Nacheilschaltung verwendet werden, das heißt der Widerstand 32 durch eine Schaltung gleicher Art wie die Reiheneingangs-Impedanzschaltung ersetzt und die gezeigte Reiheneingangsschaltung beibehalten würde, so erhält man

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ein zeitverHnderliches Bandpaßfilter oder ein zeltveränderliches Kerbfilter ("notch filter"). Das heißt, falls das Voreilnetzwerk einen größeren Kondensator als das Nacheilnetzwerk aufweist» erhält man ein veränderliches Bandpaßfilter und umgekehrt, falls da« Voreilnetzwerk einen kleineren Kondensator als das Nacheilnetzwerk aufweist, ein veränderliches "Kerb"-Netzwerk ("notch" network), bei welchen Informationssignale, welche Innerhalb eines besonderen veränderlichen Frequenzbereichs liegen, stark gedämpft werden. .

Die Erfindung wurde vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbelspiel· beschrieben, die jedoch selbstverständlich in mannigfacher Weise abgewandelt werden können, ohne daß hierdurch der Rahmen der Erfindung verlassen wird.

- Patentansprüche -

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Claims

» 12 -

Pat entans prUche

1./Schaltung mit veränderlicher Übergangsfunktion, gekennzeichnet durch
(a) eine Informationssignalquelle (10), (b} eine Steuersignalquelle (12),

(c) Schaltmittel (16, l4, 18) zur Erzeugung eines das Steuersignal (12) wiedergebenden impulsbreitenmodulierten Signals (20), . ·

(d) einen PunktIonsverstärker (28) mit einem Oleichstromverstärker (30) hoher Verstärkung, einer RUckkopplungsschaltung (52) und einer Reiheneingangsimpedanzschaltung, wobei von den beiden letzterwähnten Schaltungen eine zwei Znd.ge aufweist, von welchen der eine (Jk) rein ohmisch ist und der andere eine Reaktanz (j58) aufweist,

(e) Schaltmittel zur Zufuhr des Informationssignals zum Eingang des Punktionsverstärkers,

(f) einen elektronischen Schalter (24) mit einem leitenden und einem nicht-leitenden Zustand, welcher den reaktiven Zweig (26) der einen Impedanzsohaltung mit einem Punkt auf Bezugs,-,tential (Erde) verbinc.et, derart, daß er nur in seinem loii;enc!-:\ Zustand eine Impedanz vom Wert praktisch Null .'.m viel: . 3 el ι IuI- „, dsm reaktiven Zweig darstellt, wobei der ,jeweilige Leitfähigkoitszustand des Schalters (2^il.) durch dan inipulsbreitsnmodulierte Signal (20) gesteurt -'.si-.. " /■-·■.

009830/U55 BADORtGINAL

Schaltung rait veränderlicher Übergangsfunktion nach Anspruch 1, dadurch g e ken η zeichnet, daß das zwei Zweige aufweisende Impedanz-Schaltungsnetzwerk das Reiheneingangsimpedanz-Schaltungsnetzwerk des Punkt!onsver-stärkers ist und daß dessen reaktiver Zweig (36, 42, 50, 38, 40) einen Reihenkondensator (38) zur Erzeugung einer Phasemroreilung in zugeführten Signalen aufweist.

3» Schaltung mit veränderlicher Ubergangsi'unktion nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Reiheneingangsimpedanzschaltung zwei in Reihe liegende Widerstände (36, 44) aufweist, deren Knotepunkt (26) mit dem elektronischen Schalter (24) verbunden ist.

4, Schaltung mit veränderlicher Übergangsfunktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von den in (d) erwähnten RUckkopplungs- und Reiheneingangsimpedanzschaltungen die andere rein ohmisch (32) ist.

5· Schaltung rait veränderlicher Übergangsfunktion nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e nnze lohnet., laß der elektronische Schalter (24) einen Trant>i.3tor ai:?weisfc, dessen Kollektor mit dem reaktiven NVozft, 5i^ä;.f?.^r;elg ·. Δ. dessen Emitter mit dem auf Bezugspotential c!' n. Punkt (Erdt·; verbunden sind, und daß das Impulsbreiten-

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moduliei-ts Signal (20) zwischen der Basis und dem Emitter des Schaltertransistors (24) angelegt wird, derart daß der Transistor abwechselnd in den leitenden und in den nicht-leitenden Zustand gebracht wird.

6. Schaltung mit veränderlicher Übergangsfunktion nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche in Verbindung mit Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude des Steuersignals (12) gemäß einer Zeitfunktion veränderlich ist, und daß die Schaltmittel (c) zur Erzeugung eines das Steuersignal wiedergebenden inipulsbreitenmoduSerten Signals einen Sägezahngenerator (16) und einen Spannungskomparator (3.4) aufweisen, welcher mit der Steuersignalquelle (12) einerseits und mit dem Sägezahngenerator (16) andererseits verbunden ist und ein Ausgangssignal vorgegebener, konstanter Amplitude nur dann erzeugt, wenn die Amplitude einer seiner Eingangsgrößen (A bzw. B) größer als die Amplitude der anderen Eingangsgröße ist.

7. Schaltung mit veränderlicher Übergangsfunktion nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g s k e u η zeichnet , daß das Rückkopplungsschaltungsnetzwerk einen Ohm*sehen Widerstand (32) zwischen dem Ausgang und dem Eingang des Gleichstrcmverstärkers (30) des Punktionsverstärkers aufweist, daß der Ohm'sehe Zv;„iig des Reih<ineingangsimpedan2-

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schaltungsnetzwerk.es ßlnen zwischen dem Eingang des Punktionsverstärl-ers und dem Eingang des Gleichstromverstärker (30) liegenden Widerstand (34) aufweist, daß der reaktive Zweig des Reiheneinganßsimpedanzschaltungsnetzwerkes folgende Teile aufweist: einen ersten Widerstand (36), dessen einer Anschluß mit dem Eingang des Funktionsverstärkers und dessen anderer Anschluß (26) mit dem elektronischen Schalter (2^h.) verbunden ist, ein Filter (42), welches einen z*äten Widerstand (44), der mit seinem einen Ende mit dem elektronischen Schalter (24) verbunden ist, und einen ersten Kondensator (46) aufweist, dessen einer Anschluß mit dem anderen Anschluß des zweiten Widerstands (44) und dessen anderer Anschluß mit dem auf Bezugspotential liegenden Punkt (Erde) verbunden ist, Schaltungsmittel (48) zur Impedanzanpassung, mit einem Transistorverstärker (50) in Emitter-Folgeschaltung, dessen einer Eingang mit dem anderen Anschluß des zweiten Widerstands (44) verbunden ist, einen zweiten Kondensator (38)* der einerseits mit dem Ausgang des Emitter-Folgeverstärkers (50) verbunden ist, sowie einen dritten Widerstand (4o), der einerseits mit dem anderen Anschluß des Kondensators (38) und andererseits mit dem Ei.-gMiR des Gleichstromve^Srkers (30^ verbunden ist.

8. Schaltung mit ve rand er] i eher Übergangs funkt ion nach einem odermehrere-:· der vorhergehenden Anspruchs in Verbindung mit Anspruch 1, da tu. eh ζ C-. Ir. e η η ζ e i 0 h η .- t , daß dir. Steuersignal-

./· ORIGINAL

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quelle (12) ein Signal liefert, dessen Amplitude linear als Punktion der Zeit von einem positiven Wert auf einen negativen Wert veränderlich ist, daß die Schaltmlttel (c) zur Bildung eines das Steuersignal,, wiedergebenden impulsbreitenmodulierten Signals einen Spannungskomparator (14) und einen Sägezahngenerator (l6) zur Erzeugung eines bipolaren Sägezahnsignals aufweist, wobei der Komparator ein Ausgangssignal vorgegebener« konstanter Amplitude nur dann erzeugt, wenn der Absolutbetrag des Steuersignals (A) größer als der Absolutbetrag des Sägezahnsignals (B) 1st, und daß der elektronische Schalter (24) einen mit dem Ausgang des !Comparators (l4, 18) verbundenen Transistor aufweist, der nur dann in seinen leitenden Zustand gelangt, wenn der Komparator die Ausgangsgröße mit der vorgegebenen, konstanten Amplitude (20) erzeugt.

9· Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das RUckkopplungs-Schaltungsnetzwerk (32) des Funktionsverstärkers rein ohmisch ist und daß der reaktive Zweig des Reiheneingangsimpedanzschaltungsnetzwerkes einen Reihenkondensator (28) zur Erzeugung einer Phasenvoreilung in diesem Zweig zugeführten Signalen aufweist.

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