DE1774527B2 - Schaltungsanordnung zur Bildung des Betrages einer elektrischen Zeitfunktion - Google Patents

Description

F2=+£"lfürO<El<Emax

io und

E2= -El für -£max<Fl<a
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur

Bildung des Betrages einer elektrischen Zeitfunktion Die Zeichnungen zeigen einen verbesserten Betragsentsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. wertgenerator und seine stufenweise Entwicklung.

Um eine derartige Funktion zu realisieren, sind $> Die Grundschaltungen, aus denen der verbesserte

bereits auf dem Gebiet der Analogrechentechnik viele Generator (Fig.3) aufgebaut ist, sind ein als Differen-

Vorschläge bekanntgeworden. tialverstärker ausgebildeter Operationsverstärker 1 und Beispielsweise seien aufgeführt: eine Spannungs-Schwellen wertschaltung 2.

a„„i„„ u„,L„j„ ν 1 jo L. ^Die Schaltung 2 schaltet die Impedanzen für den

£äSiSti Ltlt l ^S0r0ka· 40 Differentialversfärker bei Änderung der Polarität der

Eingangsspannung um und! setzt so die Verstärkung für

il

^daS * ^ iWe

«f negative Ein^ngssignale auf -U Bevor die in

q £. v^uiiipuier πβίκιυυυκ» von π us Key inta νογπ, , *ϊ t Γ* "t" F* " I Γ 1

Steinbuch 1962 Snrinper Verlair Seiten F ig. 3 gezeigte Schaltung genauer erklart wird, erfolgt

_v ,,qV ItQ₇ Springer Verlag, Seiten ^ _{eine kurze νκΛΓηοωη8 zweier übIic}her Rückkopp-

Sif ^11Si~^lls'· lungsschaltungen. U Bei einem Teil der bekannten Schaltungen sind den Fig. la zeigt ein weit verbreitetes Schaltungsprinzip H Eingängen der Summen bzw. Operationsverstärker zur Verwendung eines Differentialoperationsverstär-

§ Dioden vorgeschaltet. Damit ergibt sich aber als kers als Rückkopplungseinheit. Die Verstärkung dieser

;■' Nachteil, daß infolge des nicht vernachlässigbaren 30 Schaltung ist ungefähr gleich dem negativen Verhältnis

r Diodenwiderstandes in Rußrichtung und des kontinu- des Rückkopplungswiderstandes zum Eingangswider-

■' ierlichen Obergangs vom Sperr- zum Leitungsgebiet die stand, d. h.

j Ecken der Charakteristiken abgerundet sind. / E2\ /Rf

f^:> Grundsätzlich läßt sich dieser Mangel beheben, indem I J — — l~^~

[i. die Dioden in den Gegenkoppelkreis von Operations- 55 \ / V '
jv· verstärkern geschaltet werden, vgL insoweit auch C. L.

j j Johnson, »Analog Computer Techniques«, Mc Eine weniger verbreitete Anordnung ist in F i g. 1 b

B Graw-Hill 1956, Seiten 119 -120. Soweit die bekannten gezeigt, wo die Polarität der Verstärkung positiv ist, d. h. [f Schaltungen Dioden verwenden, ist deren Temperatur-

i; abhängigkeit und die daraus resultierende Genauig- μ /£2\ Γ /RfM

h keitsbeeinträchtigung als erheblich nachteilig anzuse- ("ft) ~ ' + ( ) ·

' hen. Soweit schließlich in der letztgenannten Literatur- \^fc«/ L \ «' /J
stelle eine Betragsbildungsschaltung auf der Grundlage

eines Relaisschalters behandelt ist, der in einer Daraus erscheint sich die Möglichkeit zu ergeben, bei

entsprechenden elektronischen Lösung als Transistor- 65 Kombination beider Anordnungen zusammen mit

schalter ausgeführt werden könnte, wäre als Nachteil einem Schwellenwertschalter eine Schaltung zu erhal-

das Erfordernis eines weiteren Umschalters in Kauf zu ten, deren Verstärkung abhängig von der Polarität des

nehmen. Eingangssignales +1 oder -1 beträgt.

Wenn die in den Fig. la und Ib gezeigten für negative Eingänge Schaltungen zu der in Fig.Ic gezeigten kombiniert werden, ergibt sich eine Schaltung mit 2 Eingängen £11 und £12 Die Gleichung für die Ausgangsspannung £2 der in F i g. 1 c gezeigten Schaltung lautet: 5

+ -rTJ-

IO

Um die Schaltung noch mehr zu spezialisieren, läßt man den zweiten Eingang F12 proportional zum ersten Eingang £11 sein, wie in der Fig. Id gezeigt, wodurch sich folgende Gleichung für die Schaltung ergibt:

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-Schwellenwert- 2s schalter entsprechend geschaltet werden können, kann die Verstärkung des Systems auf +1 oder —1 eingestellt werden, so daß man die gewünschte Betragsbüdung erzielt

Eine Möglichkeit zur richtigen Steuerung der so Impedanzen ist die Aufteilung des Eingangswiderstandes Ri in zwei hintereinandergeschaltete Eingangswiderstände Rx und Ry wie in F i g. 2a dargestellt ist Der Schwellenwertdetektor steuert einen Schalter so, daß der Verbindungspunkt der Widerstände Rx und Ry mit Erdpotential verbunden wird. Für Eingangsspannungen größer oder gleich Null ist der Schalter geschlossen und für negative Eingangsspannungen geöffnet Abhängig von der Schalterstellung wird der Verstärker in einer der beiden Schaltungen nach den F i g. 2b oder 2c betrieben. F i g. 2b zeigt die Verstärkerbeschaltung des in Fig.2a gezeigten Ausführungsbeispiels bei geschlossenem Schalter gleichzeitig mit der Abfühlung eines positiven Eingangssignals. Fig.2c zeigt die Verstärkerbeschaltung bei geöffnetem Schalter und negativem Potential am Eingang.

Die Widerstandswerte, die zu den gewünschten Ergebnissen in der F i g. 2a führen, lassen sich durch die angegebenen For.neln 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.

Dementsprechend lassen sich folgende Werte willkürlich wählen.

Al = 10 000 Ohm R 2 = 1 000 Ohm
Rf = 100 000 Ohm

Die Werte Rx, Ry für Ri lassen sich jetzt mit den folgenden Gleichungen bestimmen: to

fur positive Eingänge

El)

65 Rx+

Ry]

(I)

Durch Einsetzen der Werte von Ri, R 2 und Rf in die obige Gleichung (1) errechnet sich der Wert für Ry= 10 000 Ohm.

Das Einsetzen der Werte von R1, R2 und Rf sowie Ry in die obige Gleichung (2) ergibt den Wert für Rx= 73 300 Ohm.

Die obenbeschriebene Schaltungsdimensionierung ist natürlich nicht die einzige, die die gewünschten Ergebnisse erzielt. Es wurde jedoch festgestellt, daß diese Werte zu den besten Ergebnissen fuhren, 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 Größe des Eingangssignals abfühlt und den Verbindungspunkt Rx und Ry mit Erdpotential verbindet, wenn die Polarität des Eingangssignals positiv ist. Die in Fig.3 gezeigte Transistorschaltung 2 dient diesem Zweck.

In F i g. 3 ist ein Eingang des Verstärkers 1 über den Widerstand R2 mit Erdpotential verbunden. Derselbe Eingang ist außerdem über den Widerstand R1 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 Rückkopphingswiderstand Rftst genauso ausgelegt

Der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen Rx und Ry ist über den Transistor 10 und einen kleinen Widerstand 11 mit Erdpotential verbunden. Die Emitterelektrode des Transistors 10 ist mit dem negativen Versorgungsanschluß 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-Spannungsabfall über dem Transistor 10 ist, wenn dieser im Sättigungsbereich betrieben wird. Dadurch wird die Kollektorspannung 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 Eingangskiemme 3 über einen Widerstand 18 an die Basiselektrode des Transistorverstärkers 16 angeschlossen. Die Basiselektrode des Transistorverstärkers 16 ist tenter über die entgegengesetzte gepolten 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 Transistors 17 ist über den Widerstand 21 mit Erdpotential und über einen Widerstand 23 mit dem Abgriff des Potentiometers 22 verbunden. Das Potentiometer 22 ist mit den positiven und negativen Versorgungsklemmen 24 und 25 verbunden und der Abgriff ist in der Nähe des Erdpotentials eingestellt

Die Emitter der Transistoren 16 und 17 sind über einen gemeinsamen Widerstand 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 Transistors 35 verbunden. Dessen Kollektor ist über den Widerstand 37 mit der positiven Versorgungsklemme 36 verbunden. Der Kollektor des Transistors 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

Das Potentiometer 22 ist so eingestellt daB sich die Transistoren 16 und 17 im gleichen Leitzustand berinden, wenn das Eingangssignal E1 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 Transistor 35 abgeschaltet ist spannt das positive Potential von der Versorgungsklemme 36 den Tabelle

Transistorschalter 10 in Sättigung vor und verbindet 40

dadurch hauptsächlich den Verbindungspunkl zwischen Ei in Volt

den Widerständen Rx und Ry mit ErdpotentiaL Dieser

Fall tritt nur ein, wenn der Transistor 16 auf Grund eines positiven Eingangssignals 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 Transistorschalters 10 leitet Wenn der Transistor 35 leitend ist wird der Transistor 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.

Bei Verwendung eines Transistors 10 mit ungewöhnlieh kleinem Sättigungswiderstand erübrigen sich das Potentiometer 14 und die Widerstände 13 und II. Außerdem kann für den Widerstand Rx ein Festwiderstand verwendet werden. Die im Ausführungsbeispiel verwendeten Widerstände und Potentiometer gestatten die Benutzung eines billigeren Transistorschalters mit niedriger Leistung ohne daß die Genauigkeit dadurch beeinträchtigt wird.

Tabelle 1 zeigt die Prüfergebnisse, die mit der erfindungsgemäßen, in F i g. 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:

0,010 0,100 1,000 3,000 5,000 8.000 + 10,000

- 0,10

- 0,100

- 1,000

- 3,000

- 5,000

- 8,000 -10,000

Widerstandswerte	9 988 Ohm
R\	9 971 Ohm
R2	72 380 Ohm
Rx	9 939 Ohm
Ry	99 590 Ohm
Rf	33 Ohm
11	10000 Ohm
13	11660 Ohm
14	2 400 Ohm
18	1 100 Ohm
21	50 000 Ohm
22	5 100 Ohm
23	24 000 Ohm
28	560 Ohm
30	560 Ohm
32

Ei Volt bei 2 Schaltungen

0,010
0,100
1.000
3.000
5.000
8,001
10,002
0,019
0.108
1.008
3,006
5j003
8,000
9398

0,010 0,100 1,000 3,000 4398 7398 9397 0,019 0,108 1,008 3,007 5,006 8,004 10,001

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Die Aufgabe der Erfindung besieht darin, eine

   Patentanspruch: demgegenüber weiter verbesserte Betragsbildungschal

   tung anzugeben, die ohne Dioden auskommt und bei

   Schaltungsanordnung zur Bildung des Betrages großer Genauigkeit im Ntillpunkibereich eine Ändeeiner elektrischen Zeitfunktion mit einem gegenge- 5 ningsgeschwindigkeit bei relativ geringem Mehraufkoppelten als Differentialverstärker ausgeführten wand zuläßt. Diese Aufgabe wird bei der eingangs Operationsverstärker mit zwei Eingingen sowie erwähnten Schaltung entsprechend den im Kennzei einer auf die jeweilige Polarität der Eingangssignale dien des Patentanspruchs angebenen Merkmalen ansprechenden Schwellenwertschaltung, dadurch gelöst.

   gekennzeichnet, daß als Schwellenwertschal- io Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand tung (2) ein an sich bekannter Stromübemahme- von Ausführungsbeispielen und den Zeichnungen näher schalter (16, 17) mit einstellbarer Vergleichsspan- erklärt. Es zeigen:

   nung und einem nachgeschalteten Transistorschalter Die Fig. la bis Id verschiedene Grundschaltungen

   (10) vorgesehen ist, daß jeder der beiden Eingänge zum besseren Verständnis der verbesserten Schaltungsdes Operationsverstärkers über mindestens ein is anordnung zur Bildung des Betrages.
   Widerstandsbauelement (Rx+Ry, Rl) mit dem Die Fig.2a die erfindungsgemäße Anordnung

   gemeinsamen Schaltungseingang für die Eingangs- teilweise schematisch und teilweise im Schaltbild
   signale (£1) verbunden ist, wobei sich der Eingangs- Die Fig. 2b und 2c das Ersatzschaltbild der in Fig. 2a

   widerstand f A$ für den rückgekoppelten Verstär- gezeigten Schaltung in den beiden Betriebszuständen kereingang aus zwei Teilwiderstanden (Rx, Ry) 20 und

   zusammensetzt, deren Verbindungspunkt über die Fig.3 das genaue Schaltbild eines Ausführungsbei-

   Schwellenwertschaltung (2) an eine feste Bezugs- spiels nach der Erfindung.

   spannung (Masse) anlegbar ist, und daß der andere Im Bereich der Analog-Schaltungstechnik ist es oft

   Verstärkereingang über ein weiteres Widerstands- erwünscht, ein Ausgangssignal zu erzeugen, welches den bauelement (R 2) mit einer festen Bezugsspannung 25 Betragswert eines positiven oder negativen Eingangs-(Masse) verbunden ist. signals darstellt Mathematisch kann dies ausgedrückt

   werden durch: