DE1774527A1

DE1774527A1 - Schaltungsanordnung zur Bildung des Betrages einer elektrischen Zeitfunktion

Info

Publication number: DE1774527A1
Application number: DE19681774527
Authority: DE
Inventors: Crouse William George; Duspiva Walter Steven
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1967-07-12
Filing date: 1968-07-10
Publication date: 1971-10-21
Also published as: GB1215336A; FR1575941A; DE1774527B2; US3509369A; DE1774527C3

Description

Amtliches Aktenzeichen:

Aktenzeichen der Anmelderin

Neuanmeldung Docket 6695

Schaltungsanordnung zur Bildung des Betrages einer elektrischen Zeitfunktion

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Bildung des Betrages einer elektrischen Zeitfunktion mit einem gegengekoppelten Operationsverstärker.

Um eine derartige Funktion zu realisieren, sind bereits auf dem Gebiet der Analogrechentechnik viele Vorschläge bekanntgeworden. Beispielsweise seien aufgeführt:

1. Analog Methods, von Karplus und Soroka, 1959> Mc Graw-Hili, Seiten 75-76,

2. Computer Handbook, von Huskey und Korn, 1962, Mc Graw Hill, Abschnitt 3, Seite 73,

3. Taschenbuch der Nachrichtenverarbeitung, von Steinbuch, 1962, Springer-Verlag, Seiten 1195-1197.

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10884 3/0^7

Bei einem Teil der bekannten Schaltungen sind den Eingängen der Summenbzw. Operationsverstärker Dioden vorgeschaltet. Damit ergibt sich aber als Nachteil, daß infolge des nicht vernachlässigbaren Diodenwiderstandes in Flußrichtung und des kontinuierlichen Übergangs von)Sperr- zum Leitungsgebiet die Ecken der Charakteristiken abgerundet sind.

Grundsätzlich lässt sich dieser Mangel beheben, indem die Dioden in den Gegenkoppelzweig der Operationsverstärker gelegt werden, wie es in dem anderen Teil der bekannten Schaltungen geschieht. Erkauft werden muss diese Verbesserung jedoch mit mindestens einem weiteren Summier verstärker.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine weitere verbesserte Betrags-

funkti ons schaltung anzugeben. Sie soll vor allem eine sehr grosse Genauigkeit besonders im Gebiete unterhalb 1 Volt und eine hohe Änderungsgeschwindigkeit bei relativ geringem Mehraufwand aufweisen.

Die Lösung dieser Aufgabe bietet sich, indem ein Schwellenwertschalter vorgesehen ist, der in Abhängigkeit von der Polarität des Eingangs signals die äussere be

Verstärkerschaltung des als Diffearentialverstärker ausgeführten Operationsverstärkers derart umschaltet, daß der Gesamtverstärkungsfaktor sein Vorzeichen wechselt.

Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, daß durch den Schwellenwertschalter Docket 6695 -2-

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einmal das Eingangssignal beiden Eingängen des Differentialoperationsverstärkers und im anderen S chaltungs zustand nur dem Eingang zugeführt . wird, auf den nicht vom Ausgang her zurückgekoppelt wird.

Schliesslich ergibt sich eine besonders einfache Lösung dergestalt, daß sich der Eingangswiderstand für den rückgekoppelten Verstärker eingang aus zwei Teilwiderständen zusammensetzt, deren Verbindungspunkt über den Schwellenwertschalter in einer Stellung an eine feste Spannung gelegt wird.

Die vorlieg ende Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den zugehörigen Zeichnungen näher erklärt. Es zeigen :

Die Figuren la bis Id verschiedene Grundschaltungen zum besseren Verständnis der verbesserten Schaltungsanordnung zur Bildung des Betrages.

Die Fig. 2a die erfindungsgemässe Anordnung teilweise schematisch und teilweise im Schaltbild.

Die Fig. 2b und 2c das Ersatzschaltbild der in Fig. 2a gezeigten Schaltung

in den beiden Betriebszuständen und -

Fig. 3 das genaue Schaltbild eines Ausführungsbeispieles nach der Erfindung.

Im Bereich der Analog-Schaltungstechnik ist es oft erwünscht, ein Ausgangssignal zu erzeugen, welches den Betragswert eines positiven oder negativen Eingang'ssigriales darstellt. Mathematisch kann dies ausgedrückt werden durch : E2 = +El für 0 £ El £ Emaxj· und

E2 = -El für -Emax & El 4 . 0.

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109 84 37 047 3

177452?

Die Zeichnungen zeigen einen verbesserten Betragswertgenerätbr und seine stufenweise Entwicklung.

Die Grundschaltungen, aus denen der verbesserte Generator (Fig. 3) aüfgebaut is*, sind ein als Differentialverstärker ausgebildeter Operationsverstärker 1 und ein Spannungs-Schwellenwertschalter 2.

Der Schalter 2 schaltet die Impedanzen für den Differentialverstärker bei Änderung der Polarität der Eingangs spannung um und setzt so die Verstärkung für das ganze System für positive Eingangs signale auf +1 und für negative EingangsSignale auf -1. Bevor die in Fig. 3 gezeigte Schaltung gehauer erklärt ■wird, erfolgt eine kurze Wiederholung zweier üblicher Rückkopplungsschaltungen.

Fig. la zeigt ein weit verbreitetes Schaltungsprinzip zur Verwendung eines Differentialoperationsverstärkers als Rückkopplungs einheit. Die Verstärkung dieser Schaltung ist ungefähr gleich dem negativen Verhältnis des Rückkopplungs wider Standes zum Eingangswiderstand, d.h.

E2 El

eine weniger verbreitete Anordnung ist in Fig. Ib gezeigt, wo die Polarität

der Verstärkung positiv ist, d.h.

E2

El

1 +

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-A-

BAD

1 O 9 8 4 3 / Ü 4

Daraus erscheint sich, die Möglichkeit za ergebe», bei ΚοίτιΙϊη., ion. bei.'"or Anordnungen zusammen mit"einem Schwellenwti:?"£s.-:halr-^r f~\iie ^%Tch;viur,: κ... erhalten, deren Verstärkung abhängig von der Polarität des Eingangssignals.» +1 oder -1 beträgt.

Wenn die in den Figuren la und Ib gezeigten Schaltungen zu der in Fig. Ic gezeigten kombiniert werden, ergibt sich eine Schaltung mit 2 Eingängen Eil und E12, Die Gleichung für die Ausgangsspannung E2 der in Fig. Ic gezeigten Schaltung lautet :

Rf Rf

E 2 = Ell (-Ri } + E12 ( 1 + Ri )

Um die Schaltung noch mehr zu spezialisieren, lässt man den zweiten Eingang El2 proportional zum ersten Eingang Eil sein, wie in der Figur ld gezeigt,, wodurch sich folgende Gleichung für die Schaltung ergibt :

E2
El

(-Rf Ri

R2

Rl + R2

Eine Analyse dieser Gleichung zeigt, daß die Verstärkung der in Fig. Id gezeigten Schaltung entweder positiv oder negativ sein kann, je nach dem Wert der vier ausserhalb des Verstärkers liegenden Widerstände Rl, R2, Ri und Rf. Wenn diese Widerstandswerte durch einen Null-Schwellenwertschalter entsprechend geschaltet werden können, kann die Verstärkung des Systems auf +1 oder -1 eingestellt werden, so daß man die gewünschte Betragsbildung erzielt.

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Eine Mü^ilcJikeit zur richtigen Steuerung der Impedanzen ist die Aufteilung des .EiiigaagHwider stände s Ri in zwei hinter einander geschaltete Eingangswiderstände Rx: und Ry wie in Fig. 2a dargestellt ist. Der Schwellenwertdetektor steuert einen Schalter so, daß der Verbindungspunkt der Widerstände Rx und Ry mit Erdpotential verbunden wird. Für Eingangs spannung en grosser oder gleich Null ist der Schalter geschlossen und für negative Eingangs spannungen geöffnet. Abhängig von der Schalterstellung wird der Verstärker in einer der beiden Schaltungen nach den Figuren 2b oder 2c betrieben. Fig. 2b zeigt die Verstärkerbeschaltung des in Fig. 2a gezeigten Ausführungsbeispiels bei geschlossenem Schalter gleichzeitig mit der Abfühlung eines positiven Eingangssignales. Fig. 2c zeigt die Verstärberbeschaltung bei geöffnetem Schalter und negativem Potential, am Eingang.

Die Widerstaiidswerte, die zu den gewünschten Ergebnissen in der Fig. 2a führen, lassen sich durch die obengegebenen Formen bestimmen. Es sei noch einmal daran erinnert, daß für die Schaltung in Fig. 2b eine Verstärkung von +1 und für die Schaltung in Fig. 2c eine Verstärkung von -1 gewünscht wird.

Dementsp"rechend lassen sich folgende Werte willkürlich wählen. Rl = 10,000 Ohm

R2 = 1.000 Ohm

Rf = 100,000 Ohm

Die Werte für Rx und Ry lassen sich jetzt mit den folgenden Gleichungen bestimmen :

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BAD

1038 A3/0473

!77*527

für positive Eingänge

Rl + R2

1 +

(1)

für negative Eingänge

R2

Rl + R2

1 + Rf

.Rx ■+■ Ry j

Rf_

Rx + Ry

Durch Einsetzen der Werte von Rl, R2 und Rf in die obige Gleichung (1) errechnet sich der Wert für Ry = 10 000 Ohm.

Das Einsetzen der Werte von Rl, R2 und Rf sowie Ry in die obige Gleichung (Z) ergibt den Wert für Rx = 73 300 Ohm.

Die obenbeschriebene Schaltungsdimensionierung ist natürlich nicht die einzige. ΰϊ-ϊ die gewünschten Ergebnisse erzielt. Es wurde jedoch festgestellt, daß diese vierte zu den besten Ergebnissen führen, wenn andere Faktoren der Praxis wie Linearität der in der Schwellenwertschaltung verwendeten Transistoren usw. berücksichtigt werden.

In einer praktisch ausgeführten Schaltung wird der in Fig. 2a gezeigte Schalter durch eine Transistorschaltung ersetzt, die die Polarität und Grosse des Eingangssignales abfühlt und den Verbindungspunkt Rx und Ry mit Erdpotential verbindet, wenn die Polarität des Eingangssignales positiv ist. Die in Fig, 3 gezeigte Transistor schaltung 2 dient diesem Zweck.

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In Fig. 3 ist ein Eingang des Verstärkers 1 über den Widerstand R2 mit Erdpotential verbunden. Derselbe Eingang ist ausserdem über den Widerstand Rl mit der Eingangsklemme 3 verbunden. Der andere Eingang des Verstärkers 1 ist über die Widerstände Rx und Ry mit der Eingangsklemme 3 verbunden. Der Widerstand Rx ist in Form eines festen Widerstandes und eines Potentiometers zur genauen Einstellung dargestellt. Der Rückkopplung swiderstand Rf ist genauso ausgelegt.

Der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen Rx und Ry ist über den Transistorschalter 10 und einen kleinen Widerstand 11 mit Erdpotential verbunden. Die Emitterelektrode des Verstärkers 10 ist mit dem negativen Ver_T sorgungsanschluss 12 über einen Widerstand 13 und ein Potentiometer 14 verbunden.

Der Spannungsteiler aus den Widerständen 11, 13 und dem Potentiometer 14 setzt das Emitterpotential des Transistors 10 auf eine geringe negative Spannung fest, deren Wert gleich dem Kollektor-Emitter-Spannungsbabfall über dem Transistor 10 ist, wenn dieser im Sättigungsbereich betrieben wird. Dadurch wird die Kollektor spannung des Transistors 10 bei Sättigung auf Erdpotential eingestellt.

Die Eingangsklemme 3 ist mit einem Eingang eines Differentialverstärkerschalters 15 verbunden, der die beiden Transistoren 16 und 17 enthält. Genauer gesagt ist die Eingangsklemme 3 über einen Widerstand 18 an die Basiselektrode

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des Transistorverstärker^ 16 angeschlossen. Die Basis«lektjodo de,- Transistorverstärkers 16 ist ferner über die entgegengesetzte .gepolton Dioden. 19 und 20 mit Erdpotential verbunden. Die Funktion dieser Dioden besteht in. der Begrenzung der Amplitude der auf die Basiselektrode des Transistors über den Widerstand 18 gegebenen Signale.

Die Basiselektrode des Transistorverstärkers 17 ist über den Widerstand 21 mit Erdpotential und über einen Widerstand 23 mit dem Abgriff des Potentiometer 22 verbunden. Das Potentiometer 22 ist mit den positiven ucd negativen Versorgungsklemmen 24 und 25 verbunden und der Abgriff ist in der Nälie des Erdpotentials eingestellt. '

Die Emitter der Transistoren 16 und 17 sind über einen gemeinsamen Widers-tand 27 mit der negativen Versorgungsklemme 26 verbunden. Ein Widerstand 28 verbindet den Kollektor des Transistors 16 mit dem Kollektor des Transistors 17, welcher über einen Widerstand 30 mit Erdpotential und über einen Widerstand 32 mit der positiven Versorgungsklemme 31 verbunden ist.

Der Kollektor des Transistors 16 ist direkt mit der Basis eines in Emitterschaltung betriebenen Transistorverstärkers 35 verbunden. Der Kollektor des Verstärkers 35 ist über den Widerstand 37 mit der positiven Versorgungsklemme 36 verbunden. Der Kollektor des Verstärkers 35 ist ausserdem über einen Widerstand 38 mit der Basis des Transistors 10 verbunden, die über den Basisvorspannungswiderstand 40 an die negative Versorgungsklemme 39 angeschlossen ist.

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Das" Potentiometer 22 ist so eingestellt, daß sich die Transistoren 16 und 17 imgleichert Leitzustand befinden, wenn das Eingangssignal El auf Erdpotential liegt.

Die Verstärkung des Systems ist daher Undefiniert, wenn das Eingangssignal auf Erdpotential liegt. Dadurch entsteht jedoch kein Problem, da das Eingangssignal gleich Null ist und das Ausgangssignal daher ebenfalls. Wenn das Eingangssignal etwas positiv wird, wird der Transistor 16 gesättigt und der Transistor 17 schaltet ab. Wenn das Eingangssignal etwas negativ wird, wird der Transistor 17 gesättigt und der Transistor 16 schaltet ab.

Wenn der Transistorverstärker 35 abgeschaltet ist, spannt das positive Potential von der Versorgiingsklemme 36 den Transistorschalter 10 in Sättigung vor und verbindet dadurch hauptsächlich den Verbindungspunkt zwischen den Widerständen Rx und Ry mit Erdpotential. Dieser Fall tritt nur ein, wenn der Transistor 16 a.n£ Grund eines psositiven Eingangssignales stark leitend ist.

Wenn das Eingangssignal negativ ist, ist der Transistor 16 wenig leitend, wodurch der Transistor 35 eingeschaltet wird, und Erdpotential auf .die Basis des Transistor schalter s 10 leitet. Wenn der Transistor 35 leitend ist, wird der Schalter 10 abgeschaltet, wodurch die Verbindung zwischen dem Verbindungspunkt der Widerstände Rx und Ry mit Erdpotential unterbrochen wird. Wenn zwei gut ausgesuchte Transistoren 16 und 17 verwendet werden, entfällt der Bedarf für das Potentiometer 22.

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BAD OR1QI_NAL

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Bei Verwendung eines Transistors 10 mit ungewöhnlich kleinem Sättigungswider stand erübrigt sich das Potentiometer 14 und die Widerstände 13 und 11. Ausserdem kann für den Widerstand Rx ein Festwiderstand verwendet werden. Die im Ausführungsbeispiel verwendeten Widerstände und Potentiometer gestatten die Benutzung eines billigeren Transistor schalters mit niedrigerer Leistung ohne. daß die Genauigkeit dadurch beeinträchtigt wird.

Tabelle 1 zeigt die Prüfergebnisse, die mit der erfindungsgemässen, in Fig, 3 gezeigten Schaltung mit folgender Dimensionierung erzielt -wurden.

Bei den Schaltungen, für die die erzielten Testergebnisse in der Tabelle 1 aufgeführt sind, wurden dieselben Widerstände und Verstärker jedoch unterschiedliche Transistoren verwendet, um die zufriedenstellende Leistung der Schaltung unabhängig von den verwendeten Transistoren zu zeigen. Die Werte der einzelnen Bauteile für ein Ausführungsbeispiel der in Fig. 3 gezeigten Erfindung sind folgende :
Wider stands wer te

Ri	9. 988	Ohm
R2	9,971	Il
Rx	72,380	Il
Ry	9,939	ti
Rf	99.590	It
11	3,3	π
13	10.000	It
14	11.660	tt
18	2,400	ti
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.U-

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vv'-idevstai.	■ ds wer te :
21	1. 100
Il	50, 000
23	5, 100
2a	24, 000
30	560
32	560

Ohm

Tabelle

El in Volt

+ ,010

+ ., lOO'

+ 1,000

+ 3, 000

+ 5, 000

. 4- 8, 000

+ 10, 000

- , 100

- 1,000

- 3, 000

- 5, 000

- 8,000

- 10_;000

E 2 in Volt	bei 2 Schaltungen
,010	,010
,100	,100
1, 000	1,000
3^000 ,	3,000
5,000	4,998
8,001	7,998
10,002	9,997
,019	,019
,108	t ¹⁰S
1^008	1,008
S₁ 006	3,007
5,003	5_;006
8, 000	8,004
9,998	10, 001

Docket 6695

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Claims

PATENTANSPRÜCHE 8* Jub l9Ui mo-hi r' ' " ■ '"'

1. Schaltungsanordnung zur Bildung des Betrages einer elektrisch ^ ι

Zeitfunktion mit einem gegengekoppelten Operationsverstärker dadurch gekennzeichnet, daß ein Schwellenwertschalter (2) vorgesehen ist, der in Abhängigkeit von der Polarität de§ Eingangs signales (El) die äussere Verstärkerbeschaltung des als Differt-itial« verstärker ausgeführten Operationsverstärkers derart umschaltet, daß der Gesamtverstärkungsfaktor sein Vorzeichen wechsele.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet» daß durch den Schwellenwertschalter (2) einmal das Eingangssignal (El)i?eiden Eingängen des Differ entiaioperations Verstärkers (1) und im anderen Schaltungs zustand nur dem Eingang zugeführt wsrd, auf den nicht vom Ausgang her zurückgekoppelt wird.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Eingangswiderstand (Ri) für den rückgekoppelten Vwstärkereingang aus zwei Teilwiderständen (Rx, Ry) zusammensetzt» deren Verbindungspunkt über den Schwellenwertschalter (2) in einer Stellung an eine feste Spannung gelegt wird.

4. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3_f dadurch gekennzeichnet,

daß der Schwellenwertschalter (2) aus einem Stromübernahmescualt^r (l6, 17) mit einstellbarer Vergleichs spannung und einem nachges ,'kältetem Transistorschalter (IG) gebildet ist»

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