DE1806285C - Einrichtung zur Glättung sägezahnförmiger oder pulsierender Gleichspannungen mit veränderlichem Hub - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Glättung siigezahnförmiger oder pulsierender Gleichspannungen mit veränderlichem Hub, insbesondere für Frequenz-Spannungsumsetzer, welche eine Folge von Spannungsimpulsen veränderlicher Folgefrequenz und konstanter Impulsfläche in eine zägezahnförmige Gleichspannung umwandeln. Als Beispiel sei hierzu auf ein übliches Verfahren zur Frequenz-Spannungsumsetzung verwiesen, das in der Erfassung des Mittelwertes einer Folge von Spannungsimpulsen konstanter Inrnpulszeitflilche mittels Zeitkonstanten- bzw. Verzögerungsglieder besteht. Als Ausgangssignal ergibt sich hierbei eine impulsfolgefrequenzproportionale Gleichspannung, der je nach Größe der Glättungszeitkonstanten und der Inipulsfolgefrequenz Oberwellen entsprechender Amplitude überlagert sind, so daß sich insgesamt ein sägezahnförmiger Spannungsverlauf einstellt. Es ist zwar grundsätzlich möglich, durch eine entsprechend große Glättungszeilkonstante die störenden Oberwellen beliebig klein zu halten, es vergrößert sich aber dementsprechend auch die Verzögerung, mit welcher sich eine Frequenzänderung als entsprechende Änderung des Ausgangssignals bemerkbar machen würde. Trägheitsarme Umsetzung und Oberwellenarmut sind in diesem Falle sich einander ausschließende Forderungen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Restoberwelligkeit pulsierender oder sägezahnförmiger Spannungen gänzlich zu beseitigen, ohne dabei eine zusätzliche Verzögerung in Kauf zu nehmen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein elektronisches Hystereseglied gelöst, welches so ausgebildet ist, daß die Breite der von diesem Glied erzeugten Hystereseschleife in Abhängigkeit von der Größe der Ausgangsspannung vermindert wird. Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist es also, den Spannungshub der pulsierenden Gleichspannung mittels einer speziell ihm angepaßten Hystereseschleife vollständig zu unterdrücken. Am Ausgang des erfindungsgemäßen Hysteresegliedes stellt sich dann ein reines Gleichstromsignal ein, was bisher nur unter Einsatz von Glättungsgliedern mit praktisch unendlich großer Zeitkonstante und damit nicht mehr hinnehmbarer Trägheit möglich war.

Für insbesondere zur Drehzahlerfassung in Frage kommende Frequenz-Spannungsumsetzer besteht eine einfache Möglichkeit zur Realisierung eines Hysteresegliedes mit angepaßter Breite der Hystereseschleife nach einer Ausgestaltung der Erfindung darin, daß das Hystereseglied einen eine nullpunktsymmetrische Hystereseschleife konstanter Breite erzeugenden, elektronischen Funktionsgenerator aufweist, dem mindestens ein Verstärker mit einer Ansprechgrenze, die der halben Breite der Hystereseschleife entspricht, nachgeschaltet ist, und daß die Ausgangsspannung auf den Funktionsgenerator zur Verminderung der Breite der Hystereseschleife rückgekoppelt ist.

Nullpunktsymmetrische Hystereseschleifen konstanter Breite erzeugende elektronische Funktionsgeneratoren sind an sich nach Seite 1152 des Buches von K. St ein buch, »Taschenbuch der Nachrichtenverarbeitung«, 1967, bekannt. Sie bestehen aus einem Integrator, der auf den Wert eines durch konstante Voreinspeisung verminderten Eingangssignals nachgeführt wird. Damit diese Nachführung besonders schnell erfolgt, der Integrator also stets mit der ihm möglichen maximalen Stellgeschwindigkeit sein Ausgangssignal ändert, weist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung der Funktionsgenerator einen Integrator auf, in dessen Eingangskreis zwei S mit konstanten Vorspannungen beaufschlagte Kippverstärker angeordnet sind, wobei das Ausgangssignal des Integrators auf die Eingänge der Kippverstärker gegengekoppelt ist.
Vorteilhaft erweist es sich zur Verringerung der

ίο Abgleichsarbeit nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, wenn sowohl die Breite der Hystereseschleife des Funktionsgenerator als auch die die Ansprechgrenze der Kippverstärker bestimmende Spannung von demselben Abgriffeines mit konstanter

Spannung gespeisten Potentiometers abgenommen ist. Bei hohen Anforderungen über einen großen Arbeitsbereich hinsichtlich der Proportionalität zwischen dem Ausgangssignal des Frequenzspannungs-. Umsetzers und der Eingangsimpulsfolgefrequenz kann nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung dem Hystereseglied ein weiterer Funktionsgenerator nachgeschaltet sein, der den nichtlinearen Zusammenhang zwischen der Ausgangsspannung des Hysteresegliedes und dem Gleichspannungsmittelwert kompensiert, wobei als ein solcher Funktionsgenerator vorteilhaft einfach ein mit vorgespannten Schwellwertdioden beschalteter Verstärker vorgesehen sein kann. Eine besonders einfache Ausführungsform ergibt sich jedoch, wenn der Funktionsgenerator ein elektronischer Verstärker ist, in dessem Gegenkopplungskreis eine Diode mit logarithmischer Kennlinie angeordnet ist.

Eine sich auf Frequenz-Spannungsumsetzer beziehendes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden näher erläutert.

Die F i g. 1 zeigt ein Impulsdiagramm zur Darstellung der bei dem Frequenz-Spannungsumsetzer auftretenden Verhältnisse. Es ist eine Folge von Impulsen y, der Breite b und der Höhe h dargestellt, welche im Periodenabstand Taufeinanderfolgen. Die

Impulsfolgefrequenz ist also ψ . Die Impulsfolge y,

wird von einer üblichen Glättungseinrichtung, beispielsweise einem KC-Glied, in eine infolge von Oberwellen sich ergebende sägezahnförmige Spannung y umgewandelt. Im stationären Zustand strebt die Spannung y bei Beginn jedes Impulses y-, ausgehend ' von dem Minimalwert ^y₀ dem Endwert h und ab Impulsende ausgehend von dem Maximalwert ^₁ dem Wert Null zu, und zwar stets exponentiell mit der Zeitkonstanten des Glättungsgliedes. Durch entsprechende Vergrößerung dieser Zeitkonstanten ist es möglich, die sich im Unterschied Iy zwischen y₀ und ^₁ äußernde Restwelligkeit des Ausgangssignals des Frequenz-Spannungsumsetzers zu vermindern, gleichzeitig würde jedoch, wie schon erwähnt, damit auch die Verzögerung sich vergrößern, mit welchem der Mittelwert dieses Ausgangssignals einer Frequenzänderung folgen kann.

Die F i g. 2 zeigt ein Blockschema des Frequenz-Spannungsumsetzers. Ein üblicher Frequenzgeber 1 erzeugt eine Folge von Impulsen y_h welche die in F i g. 1 dargestellte Form aufweisen und deren

Folgefrequenz -ψ erfaßt werden soll.

Diese Impulsfolge y_; wird einem Glättungsglied 2 mit der Zeitkonstanten τ zugeführt, so daß an dessen Ausgang eine sägezahnförmige Spannung 3' entsteht.

Durch oin Hystereseglied 3 mil dom in einem Ulocksymbol dargestellten allgemeinen Zusammenhang zwischen seiner Eingangsgröße E und seiner Ausgangsgröße A werden alle Spannungswerte der pulsierenden Gleichspannung y unterdrückt, welche den jeweils einer bestimmten Aussteuerung zugeordneten Minimulwert y₀ Übersteigen, so daß am Ausgang des Hysteresegliedes bei unveränderter Fiequenz L

eine reine, oberwellcnfreie Gleichspannung entsteht. Diese kann bei entsprechend klein gewähltem Verhältnis von - , d, h. von Impulsbreite zu Glältungszeitkonstanten, in einem großen Bereich bereits eine ziemlich gute lineare Abbildung der Impulsfolgefrequenz f abgeben. Für größere Ansprüche hinsichtlich dieser Linearität kann ein Funktionsgenerator 4 vorgesehen werden, der unabhängig von dem

genannten Verhältnis den nichtlinearen Zusammenhang zwischen dem Minimalwert v₀ und dem Mittelwert (y) der Ausgangsspannung y des Glättungsglicdes 2 exakt kompensiert. Die Charakteristik des Hysteresegliedes 3 sowie des Funktionsgenerators 4 kann, wie dargestellt, mit Rücksicht auf die meßtechnische Forderung nach Erfassung von »negativen« Frequenzen bzw. von Impulsen y, mit negativen Impulszeitflächen, nullpunktsymmetrisch ausgeführt sein.

Die F i g. 3 zeigt eine mehr ins einzelne gehende Darstellung der Charakteristik des erfindungsgemäß vorgesehenen Hysteresegliedes. Auf der Abszisse ist y als Eingangsgröße und auf der Ordinate y₀ als Ausgangsgröße aufgetragen. Ede Hysteresecharakteristik setzt sich zusammen aus einer Geraden 5 von der Form y₀ = y sowie einer zweiten Geraden 6, welche die Gerade 5 im Punkte P₁ und die Abszisse im Punkt P₂ trifft. Die Geraden 5 und 6 können nur in der angegebenen Pfeilrichtung durchlaufen werden, pie Breite B der Hysteresekurve, d. h. ihre waagerechten, mit 7 bezeichneten Abschnitte werden von ader Ausgangsgröße y_Q abhän{jig gemacht nach der !Beziehung B = K{h~y₀), wobei K eine vom Verhältnis der Impulsbreite b zur Glätlungszeitkonstanten τ abhängige Größe gemäß K = (1-e^) ist und

h die Amplitude der vom Impulsgeber 1 abgegebenen Impulse. Jedem Wert der Ausgangsgröße y₀ ist also eine ganz bestimmte Breite der Hystereseschleife zugeordnet; speziell für den Abszissenabschnitt OP₂ der Geraden 6 ergibt sich die maximale Breite von K · h. Damit wird erreicht, daß jeweils dann, wenn sich die Ausgangsgröße y des Glättungsgliedes 2 zwischen ihrem Minimalwert y₀ und ihrem Maximalwert y, bewegt, sich der Arbeitspunkt auf den in der F i g. 3 mit 7 bezeichneten, waagerechten Abschnitten der Hystereseschleife bewegt und am Ausgang stets der Wert y₀ erscheint.

In der F i g. 4 ist eine grundsätzliche Realisierungsmöglichkeit einer Charakteristik gemäß der F i g. 3 gezeigt. Von der an der Eingangsklemme 8 angelegten Ausgangsspannung y des Glättungsgliedes 2 wird in einem Mischpunkt 9 die Ausgangsspannung y₂ eines Integrators 10 abgezogen und das Ergebnis einem Verstärker 11 mit dem Verstärkungsfaktor V = 1 zugeführt. Der Verstärker 11 weist eine Ansprechschwelle auf, welche für positive und negative Werte seiner Eingangsgröße E den Wert \ ■ K ■ h aufweist. Die Elemeitfe 9,10 und 11 stellen einen bekannten elektronischen Funktionsgenerator dar, der aus einem Integrator besteht, dem ein Totzonengiied vorgeschaltet ist. Ein derartiger Funktionsgenerator erzeugt eine nullpunktsymmetrische Hystereseschleife konstanter Breite. Zur Parallelverschiebung dieser Hystereseschleife sowie zur ausgangsip signalabhängigen Veränderung ihrer Breite gemäß der F i g. 3 ist dem Integrator 10 ein Verstärker 12 nachgeschaltet, der ebenfalls den Verstärkungsfaktor V = 1 und eine Ansprechschwelle der Größe γ · K · h

>5 aufweist. Mittels eines Potentiometers 13 wird von der an der Klemme 14 auftretenden Ausgangsspannung y_Q des Verstärkers 12 eine Spannung der Größe K-y₀ gewonnen, welche auf den Verstärkern in der Weise zurückwirkt, daß dessen der positiven Richtung seines Eingangssignals E zugeordnete Ansprechschwelle vermindert wird. Die Integrierzeit T_t des Integrators 10 wird zweckmäßigerweise hinreichend klein bemessen, so daß sein Ausgangssignal mit möglichst geringer Verzögerung seinem

Eingangssignal folgen kann. Die in der Fig. 4 dargestellte Anordnung ist in der Lage, in einem Quadranten eine Charakteristik gemäß der Fig. 3 nachzubilden. An Hand der F i g. 5 und 6 soll dies noch eingehender erläutert werden.

' Wie schon erwähnt, würde der aus den Elementen 9,10 und 11 bestehende Funktionsgenerator eine nullpunktsymmetrische Hystereseschleife konstanter Breite entsprechend den in der F i g. 5 mit 15 und 16 bezeichneten Geraden erzeugen, übersteigt die Ausgangsspannung 34 des Integrators 10 die Ansprechschwelle j ^- K ■ h des Verstärkers 12, dann tritt infolge der Rückkopplung durch die am Potentiometer 13 abgenommene Spannung K · jb eine entsprechende

Verminderung der Hysteresebreite ein. Wie sich an Hand des dargestellten Verlaufes von y₂ in Abhängigkeit von y (Fig. 5) sowie von y₀ in Abhängigkeit von y₂ (F i g. 6) im einzelnen verfolgen läßt, wird infolge der Wirkung des Verstärkers 12 der im ersten Quadranten befindliche, gestrichelt eingezeichnete Bereich der Hystereseschleife unterdrückt, so daß sich im ersten Quadranten zwischen der Eingangsgröße y an der Klemme 8 und der Ausgangsspannung y₀ an der Klemme 14 der in der F i g. 3 dargestellte Verlauf ergibt. Dieselben Überlegungen gelten analog auch für den dritten Quadranten.

Die F i g. 7 zeigt eine Ausführungsform, welche eine nullpunktsymmetrische Nachbildung der in der F i g. 3 gezeigten Hystereseschleife erlaubt, wie sie im Blocksymbol des Hysteresegliedes 3 in der F i g. 2 dargestellt ist. Sie besteht im wesentlichen aus der sinngemäßen Erweiterung des Ausführungsbeispiels nach F i g. 4 für Eingangsimpulse y, negativen Gleichstrommittelwertes, wie sie in der F i g. 2 als Ausgangsgröße des Impulsgebers 1 gestrichelt angedcutei sind. Die Erfassung solcher Impulse kann dann beispielsweise erforderlich werden, wenn der Frequenz-Spannungsumsetzer zur Drehzahlmessung verwendet werden soll und eine zusätzliche Aussage über die Drehrichtung nötig ist. Je nach Drehrichtung würden dann vom Impulsgeber 1. Impulse positiven oder negativen Gleichstrommittelwertes dem Glättungsglied geliefert werden.

Für den Anwendungsfall der Drehzahlmessung könnte der Impulsgeber beispielsweise¹ aus einer monostabilen Kippstufe bestehen, welche von in an sich bekannter Weise erzeugten, drehzahlproportionalen Impulsen angestoßen wird. Bei der Ausführungsform nach der F i g. 7 kommen an Stelle des Verstärkers 12 in der Anordnung nach der F i g. 4 zwei Verstärker 17 und 18 entsprechend den zwei möglichen Vorzeichen für die Ausgangsspannung y₀ und an Stelle des Verstärkers 11 in der Anordnung nach der F i g. 4 zwei Verstärker 19 und 20 zum Einsatz, wobei letztere als Kippverstärker ausgebildet sind. Dadurch wird erreicht, daß die den Integrator 10 beaufschlagende Spannung nach Ansprechen der Verstärker 19 und 20 jeweils einen maximalen Wert >5 annimmt, so daß die Ausgangsspannung y₂ des Integrators 10 den durch die Eingangsgröße vorgeschriebenen Wert in der kürzestmöglichen Zeit erreicht. Die bei den Verstärkern 17 bis 20 vorzusehenden

ι

Ansprechgrenzen werden durch den Wert -y K ■ h

entsprechende Vorspannungen bewirkt, welche an einem mit konstanter Spannung gespeisten Potentiometer 21 abgenommen und den Eingängen der Verstärker 17 bis 20 zugeführt werden. Die Verstärker 19 und 20 erhalten zusätzlich noch eine von der Ausgangsspannung y₀ abhängige Einspeisung entsprechend dem Wert K ■ y₀, welche an zwei Potentiometern 22 und 23 abgenommen ist. Dabei wird das Potentiometer 23 von der stets Null oder einen positiven Wert aufweisenden Ausgangsspannung des Verstärkers 17 und das Potentiometer 22 von der stets den Wert Null oder einen negativen Wert aufweisenden Ausgangsspannung des Verstärkers 18 beaufschlagt. Werden also die an den Abgriffen der Potentiometer 21 und 22 auftretenden Spannungen Summierpunkten 24 und 25 mit der angegebenen Wirkungsrichtung zugeführt, dann bewirkt dies eine ausgangsproportionale Verringerung der Ansprechgrenzen der Verstärker 19 und 20, analog wie beim Ausfuhrungsbeispiel nach der F i g. 4.

Die F i g. 8 zeigt im einzelnen die gerätetechnische Realisierung der in der F i g. 7 dargestellten Anordnung. Die Elemente 10, 17, 18,19, 20, 26 und 29 sind elektronische Verstärker, welche in ihrem unbeschalteten Zustand eine praktisch unendlich große Spannungsverstärkung aufweisen. Der Gegenkopplungswiderstand R_g bei den Verstärkern 19 und 20 ist zur Erzeugung der in der F i g. 7 angegebenen Kippkennlinie im Verhältnis zu den Eingangswiderständen groß bemessen. Die eine Polarität der Ausgangssignale der Verstärker 17 bis 20 ist jeweils durch entsprechend gepolte Dioden 27 unterdrückt. Das Ausgangssignal der Kippverstärker 19 und 20 wird durch Zenerdioden 28 auf einen maximalen Wert begrenzt. Die Ausgangssignale der Verstärker 17 und 18 sind einem Summierverstärker 29 zugeführt. Bei den Verstärkern 17 bis 20 handelt es sich um Differenzverstärker, bei denen jeweils die Summe der Leitwerte der Widerstände, welche mit dem mit + bezeichneten Eingang verbunden sind, gleich ist der Summe der Leitwerte der Widerstände, welche mit dem mit - bezeichneten Eingang verbunden sind.

Die an der Ausgangsklemme 30 des Summier-Verstärkers 29 auftretende Spannung y₀, welche dem Minimalwert der sägezahnförmigen Ausgangsspannung y des Glättungsgliedes 2 entspricht, könnte be reits als Maß für die vorliegende Impulsfrequenz^ dienen, da sie sich in einem bestimmten Bereich etwa proportional mit dieser Frequenz ändert. Für größere Anforderungen hinsichtlich dieser Proportionalität, insbesonders auch über einen größeren Bereich hinweg, kann an den Ausgang des Hysteresegliedes 3, d. h. an die Klemme 30 ein Funktionsgenerator mit einer Kennlinie angeschlossen werden, die in der F i g. 2 in dem Blocksymbol des Funktionsgenerators 4 angedeutet ist und den Minimalwert y₀ der Spannung y mit deren Gleichstrommittelwert y nach der Beziehung

verknüpft.

Die F i g. 9 zeigt den prinzipiellen Verlauf dieser Funktion bei verschieden gewähltem Verhältnis zwischen Impulsbreite b und Glättungszeitkonstanten τ. Derartige Funktionen können grundsätzlich mit den aus der Analogrechnertechnik bekannten Funktionsgeneratoren realisiert werden, welche beispielsweise elektronische Verstärker enthalten, die in ihren Gegenkopplungskreisen mehrere vorgespannte Schwellwertdioden aufweisen, welche bei steigender Ausgangsspannung durchlässig werden und somit einen zusätzlichen; den Verstärkungsfaktor verringernden Gegenkopplungsstrom fließen lassen. Der gewünschte Funktionsverlauf kann damit beliebig genau durch eine Knickkennlinie angenähert werden, wobei die Knickpunkte durch die jeweiligen Vorspannungen der Schwellwertdioden und die entsprechenden Kurvensteigungen durch den jeweils wirksamen Gegenkopplungswiderstand bestimmt-sind. Es ist in diesem Zusammenhang auch möglich, den gewünschten Funktionsverlauf mittels einer einzigen, im Gegenkopplungszweig eines elektronischen Verstärkers angeordneten Diode zu erhalten, wenn diese eine entsprechende logarithmische Kennlinie aufweist.

Da es bei dem beschriebenen Prinzip der ausgangsabhängigen Hysteresebreitenänderung zur Glättung pulsierender Spannungen nicht auf die Art ankommt, wie diese Spannungen erzeugt werden, hat die Erfindung selbstverständlich nicht nur bei Frequenz-Sparmungsumsetzern Bedeutung. Sie kann z. B. auch mit Vorteil eingesetzt werden zur Beseitigung der Restoberwelligkeit von gleichgerichteten Ausgangsspannungen von Wechselstromtachodynamomaschinen, wie sie zur Drehzahlerfassung ebenfalls verwendet werden. Allgemein läßt sich die Erfindung überall dort anwenden, wo ein definierter Zusammenhang besteht zwischen dem Mittelwert und dem Spannungshub einer pulsierenden Gleichspannung.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Glättung sägezahnförmiger oder pulsierender Gleichspannungen mit veränderlichem Hub, insbesondere für Frequenz-Spannungsumsetzer, welche eine Folge von Spannungsimpulsen veränderlicher Folgefrequenz und konstanter Impulsfläche in eine sägezahnförmige Gleichspannung umwandeln, gekennzeich-

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net durch ein elektronisches Hystereseglied (3), welches so ausgebildet ist, daß die Breite der von diesem Glied erzeugten Hystereseschleife in Abhängigkeit von der Größe der Ausgangsspannung Cv₀) vermindert wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hystereseglied (3) einen eine nullpunktsymmetrische Hystereseschleife konstanter Breite erzeugenden, elektronischen Funktionsgenerator (9,10,11) aufweist, dem mindestens ein Verstärker (12) mit einer Ansprechgrenze, die der halben Breite der Hystereseschleife entspricht, nachgeschaltet ist, und daß die Ausgangsspannung Cv₀) auf den Funktionsgenerator zur Verminderung der Breite der Hystereseschleife rückgekoppelt ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Funktionsgenerator (9, 10, 11) einen Integrator (10) aufweist, in dessen Eingangskreis zwei mit konstanten Vorspannungen beaufschlagte Kippverstärker (19, 20) angeordnet sind, wobei das Ausgangssignal des Integrators auf die Eingänge der Kippverstärker gegengekoppelt ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die die Breite der Hystereseschleife des Funktionsgenerators (9,10,11) als auch die die Ansprechgrenze der Kippverstärker (19, 20) bestimmende Spannung von demselben Abgriff eines mit konstanter Spannung gespeisten Potentiometers (21) abgenommen ist.

5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Hystereseglied (3) ein weiterer Funktionsgenerator (4) nachgeschaltet ist, der den nichtlinearen Zusammenhang zwischen der Ausgangsspannung des Hysteresegliedes (3) und dem Gleichspannungsmittelwert (y) kompensiert.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Funktionsgenerator (4) ein mit vorgespannten Schwellwertdioden beschalteter Verstärker vorgesehen ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Funktionsgenerator (4) ein Verstärker ist, in dessen Gegenkopplungskreis eine Diode mit logarithmischer Kennlinie angeordnet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 209627/197